閃存控制器有助于確保工業(yè)閃存驅(qū)動(dòng)器的使用壽命

作者：Lena Harman，Hyperstone GmbH

雖然消費(fèi)市場(chǎng)追求最新、最出色的高性能 SSD，但可靠性重于性能的工業(yè)市場(chǎng)仍在使用幾十年前推出的 CompactFlash 外形尺寸。但幾十年前的外形尺寸不一定必須使用過(guò)時(shí)的技術(shù)。閃存轉(zhuǎn)換層 (FTL) 和映射算法、磨損均衡和糾錯(cuò)編碼 (ECC) 方面的進(jìn)步已使其成為為 CompactFlash 卡設(shè)計(jì)的最新控制器，它們?cè)试S這些舊形式因素使用最新的、更具成本效益的閃存設(shè)備并提供更大的容量。

經(jīng)久不衰的遺產(chǎn)CompactFlash 于 1994 年首次推出，經(jīng)過(guò)多次迭代和改進(jìn)，即使在 23 年后的今天，它仍然具有重要意義。Compact Flash 與 PCMCIA 和 IDE 接口兼容，自 1990 年代以來(lái)一直被用作將閃存集成到大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的一種簡(jiǎn)單方法。雖然今天的客戶端和企業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備主要使用基于 SATA 和 PCIe 的接口，而不是 PCMCIA 和 IDE，但 CompactFlash 和 PATA 在工業(yè)市場(chǎng)上仍然占有重要地位。CompactFlash 還廣泛用于佳能和尼康的頂級(jí)數(shù)碼單反 (DSLR) 相機(jī)，以及網(wǎng)絡(luò)路由器和工業(yè)設(shè)備。

CompactFlash 經(jīng)久不衰的秘訣是什么？簡(jiǎn)而言之，CompactFlash 提供了一種易于使用、可拆卸、耐用的閃存驅(qū)動(dòng)器。憑借其堅(jiān)固的外殼，它比與之競(jìng)爭(zhēng)的薄而脆弱的 SD 卡更重，但也更堅(jiān)固。此外，與傳統(tǒng)的 2.5 英寸 PATA、SATA 或當(dāng)今的 M.2 PCIe 閃存驅(qū)動(dòng)器不同，CompactFlash 設(shè)計(jì)為可重復(fù)安裝和拆卸。無(wú)需任何培訓(xùn)，操作員就可以關(guān)閉路由器或工業(yè)設(shè)備上的閃存驅(qū)動(dòng)器以升級(jí)其固件或復(fù)制其內(nèi)容。與傳統(tǒng)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器外形不同，沒(méi)有單獨(dú)的電源線可供摸索，因?yàn)殡娫词峭ㄟ^(guò)引腳提供的。

CompactFlash 驅(qū)動(dòng)器的堅(jiān)固機(jī)身使其比 SD 卡格式更適合粗糙的工業(yè)應(yīng)用。（來(lái)源：閃迪）

當(dāng)今的 CompactFlash CompactFlash 的用途可分為傳統(tǒng)應(yīng)用程序和現(xiàn)代應(yīng)用程序。在遺留系統(tǒng)中，CompactFlash 驅(qū)動(dòng)器被用作第一代閃存存儲(chǔ)設(shè)備或替代硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。這些舊系統(tǒng)通常不需要（也不能利用）更快的速度；他們只需要一個(gè)穩(wěn)定的存儲(chǔ)解決方案和可靠的替代品來(lái)源。

對(duì)于這些系統(tǒng)，產(chǎn)品壽命比原始性能更重要。雖然消費(fèi)產(chǎn)品的生命周期通常以月為單位來(lái)衡量，但工業(yè)存儲(chǔ)需要保持使用狀態(tài)，并且供應(yīng)商可以使用數(shù)年甚至數(shù)十年。因此，對(duì)于這些系統(tǒng)，存儲(chǔ)解決方案需要長(zhǎng)期保持一致的接口和操作特性。提供此接口的關(guān)鍵組件是 Flash 控制器，因此 Hyperstone 的 F2 Flash 控制器等設(shè)備已經(jīng)生產(chǎn)了 15 年并且還在不斷增加，對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是最有意義的。

然而，盡管接口和操作特性需要長(zhǎng)期一致，但 CompactFlash 驅(qū)動(dòng)器不必因早期閃存設(shè)備設(shè)計(jì)的所有限制而卡在時(shí)間上?，F(xiàn)代 CompactFlash 驅(qū)動(dòng)器可以提供與當(dāng)今 SATA 驅(qū)動(dòng)器相媲美的性能、容量、安全性和可靠性，同時(shí)仍然提供傳統(tǒng) CompactFlash 的堅(jiān)固性以及易于安裝和拆卸的特性。這是可能的，因?yàn)橄?Hyperstone 的 F9 系列這樣的高級(jí) CF 控制器為設(shè)計(jì)人員提供了許多功能來(lái)幫助利用現(xiàn)代閃存技術(shù)。

Hyperstone F9 系列等高級(jí) CF 控制器支持在工業(yè)應(yīng)用中使用現(xiàn)代閃存設(shè)備。

增強(qiáng)的磨損均衡這些關(guān)鍵特性之一是增強(qiáng)的磨損均衡。使用壽命是工業(yè)閃存驅(qū)動(dòng)器的重要因素，并且由于閃存設(shè)備的寫(xiě)入周期數(shù)有限，因此提高耐用性可以顯著降低維護(hù)成本并延長(zhǎng)工業(yè)設(shè)備的使用壽命。CF 控制器用于延長(zhǎng)使用壽命的主要機(jī)制是磨損均衡。通過(guò)分散驅(qū)動(dòng)器周圍的磨損而不是重復(fù)寫(xiě)入相同的位置，可以實(shí)現(xiàn) SSD 的最長(zhǎng)使用壽命。

基于頁(yè)面的映射 FTL 第二個(gè)關(guān)鍵的新特性涉及閃存轉(zhuǎn)換層 (FTL)，它將邏輯存儲(chǔ)（文件名）映射到物理設(shè)備位置。所有閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)都需要將文件系統(tǒng)訪問(wèn)映射到物理閃存訪問(wèn)，但大多數(shù)可移動(dòng)閃存驅(qū)動(dòng)器，尤其是較舊的閃存驅(qū)動(dòng)器，都以所謂的基于塊的映射方法映射數(shù)據(jù)。這種相對(duì)大粒度的映射比其他方法更容易實(shí)現(xiàn)，而且過(guò)去 Flash 塊的大小相對(duì)較小，因此基于塊的映射開(kāi)銷是可以接受的。

然而，基于塊的映射在今天遠(yuǎn)非理想，因?yàn)殚W存設(shè)備容量急劇增加，導(dǎo)致更大的塊大小導(dǎo)致耐久性問(wèn)題。雖然在細(xì)節(jié)上很復(fù)雜，但簡(jiǎn)而言之，基于塊的映射會(huì)由于重新映射活動(dòng)而導(dǎo)致頻繁的塊擦除，即使系統(tǒng)實(shí)際上只寫(xiě)入了少量數(shù)據(jù)。這被稱為“高寫(xiě)入放大”，結(jié)果是更大的設(shè)備磨損。

較新的 Flash 控制器技術(shù)，如Hyperstone 的hyMap，以更細(xì)粒度的級(jí)別執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，比塊甚至頁(yè)面還小。這是一種更復(fù)雜的方法，需要閃存控制器進(jìn)行更多處理，但它可以顯著延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。通過(guò)在這個(gè)更細(xì)粒度的級(jí)別映射（并因此操縱）數(shù)據(jù)，可以避免快速驅(qū)動(dòng)器磨損并大大提高耐用性。

基于頁(yè)面的映射 FTL，以及與最新閃存技術(shù)兼容的現(xiàn)代 BCH 糾錯(cuò)，允許在 CompactFlash 驅(qū)動(dòng)器中使用更高容量和更低成本的 MLC 或 3D NAND，即使在工業(yè)應(yīng)用中也是如此。反過(guò)來(lái)，這種使用更新、更高密度閃存的能力不僅提高了容量，而且還允許更高吞吐量的設(shè)備。然而，一個(gè)缺點(diǎn)是閃存編程時(shí)間增加了，速度變慢了，特別是對(duì)于小型數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作。但同樣，控制器和接口技術(shù)的進(jìn)步以及緩沖區(qū)空間的增加已經(jīng)彌補(bǔ)了這一不足，使工業(yè)級(jí) CompactFlash 卡能夠達(dá)到 120-MB/s 的讀/寫(xiě)速度。

無(wú) DRAM 操作現(xiàn)代 CF 控制器的另一個(gè)特性與數(shù)據(jù)緩沖有關(guān)。SSD 通常使用臨時(shí)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)它們的映射數(shù)據(jù)和固件表，例如，注意閃存的哪些塊已被擦除以及擦除了多少次。大多數(shù) SSD 會(huì)將此信息臨時(shí)存儲(chǔ)在 DRAM 等易失性存儲(chǔ)器中。然而，這會(huì)帶來(lái)很大的可靠性風(fēng)險(xiǎn)；在錯(cuò)誤的時(shí)間發(fā)生電源故障可能會(huì)刪除這個(gè)重要的元數(shù)據(jù)。

因此，使用 DRAM 緩沖器的工業(yè) SSD 需要強(qiáng)大的電源保護(hù)。一些 SSD 使用超級(jí)電容器作為備用電源，但這是一種昂貴的方法，并且電容器可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而失效。更好的方法是通過(guò)將映射信息完全存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中來(lái)避免 DRAM 及其對(duì)備用電源的需求。通過(guò)將映射信息存儲(chǔ)在易失性 DRAM 之外，驅(qū)動(dòng)器可以防止由于電源故障而導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失。結(jié)合基于事務(wù)的日志，驅(qū)動(dòng)器可以確保數(shù)據(jù)始終成功寫(xiě)入閃存并保持映射表的一致性。

除了失敗的風(fēng)險(xiǎn)和降低的穩(wěn)健性之外，使用 DRAM 還帶來(lái)了重大的采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。DRAM 歷來(lái)遭受的快速產(chǎn)品生命周期和不穩(wěn)定的供應(yīng)也可能導(dǎo)致 SSD 更快過(guò)時(shí)和更高的價(jià)格波動(dòng)。

健康監(jiān)測(cè) 現(xiàn)代 CF 卡還允許使用自我監(jiān)測(cè)、分析和記錄技術(shù) (SMART) 對(duì)閃存驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。支持 SMART 的操作系統(tǒng)可以檢查備用塊計(jì)數(shù)、塊擦除計(jì)數(shù)、寫(xiě)入的邏輯塊地址 (LBA) 總數(shù)以及其他重要的驅(qū)動(dòng)器健康信息。這使用戶可以在使用驅(qū)動(dòng)器時(shí)監(jiān)控其使用壽命，并在其使用壽命結(jié)束前進(jìn)行更換。

工業(yè)耐用性雖然消費(fèi)者和企業(yè)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)向其他形式因素，但 CompactFlash 仍然存在于許多傳統(tǒng)和現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用程序中。從電信塔到網(wǎng)絡(luò)路由器再到工業(yè)設(shè)備，CompactFlash 堅(jiān)固且易于安裝的特性使其經(jīng)久不衰。今天，CompactFlash 驅(qū)動(dòng)器可以滿足傳統(tǒng)要求，同時(shí)利用最先進(jìn)的技術(shù)。最新的 CompactFlash 控制器能夠創(chuàng)建具有比以往更好的性能和可靠性特性的快速、大容量驅(qū)動(dòng)器。有時(shí)老狗可以學(xué)習(xí)新技巧。