УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ NAND FLASH
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ NAND ПАМЯТЬЮ ПОВЫШАЕТ НАДЕЖНОСТЬ ДАННЫХ И ПРОДЛЕВАЕТ СРОК СЛУЖБЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ

Настоящий документ содержит официальное описание усовершенствованной технологии управления NAND памятью, интегрированной в твердотельные накопители и модульные продукты «Fortasa»

Если вам необходима дополнительная техническая информация по продукции «Fortasa», свяжитесь с отделом продаж «Fortasa»

 

Усовершенствованная технология управления NAND-памятью

Обзор

Одним из наиболее быстро растущих сегментов рынка полупроводников является флэш-память. Флэш-память, а конкретнее флэш-память NAND-типа, предлагает непревзойденные преимущества низкозатратного энергонезависимого хранения данных, небольших габаритов, высокой плотности и низкого энергопотребления. Кроме того, высокая скорость введения инноваций в сфере полупроводников и технологического прогресса вызывает снижение затрат на память и повышение ее емкости. Поскольку стоимость NAND флэш-памяти быстро снижается, крупномасштабные потребительские приложения воспользовались преимуществами флэш-памяти, стимулируя производство достаточного количества рентабельных флэш-компонентов. Однако, основным побочным эффектом резкого снижения стоимости стало снижение надежности NAND флэш-памяти. Параметрами, наиболее часто используемыми для обсуждения надежности флэш-компонентов, являются ресурс работы (сколько раз одна ячейка может быть запрограммирована и очищена) и срок хранения данных (как долго данные могут храниться во времени).

Для компенсации снижения надежности NAND флэш-компонентов и повышения срока полезного использования флэш-дисков разрабатывается множество технологий управления флэш-памятью для NAND-контроллеров. Твердотельные накопители (SSD) компании «Fortasa Memory Systems, Inc.» содержат усовершенствованную технологию управления NAND флэш-памятью, патент на которую уже был заявлен, включающую уникальные особенности, реализованные технологией SMART, и усовершенствованный компонент Фильтрации Записи для повышения надежности данных и продления срока полезной работы твердотельных накопителей.

Введение

За последние несколько лет произошел беспрецедентный технологический прогресс в области NAND флэш-памяти, носителя информации для твердотельных дисков. Неустанно пытаясь снизить стоимость на бит сохраняемой информации, производители NAND-памяти решали проблему снижения стоимости двумя путями: во-первых, снижая физическую геометрию процесса производства (сжатие процесса) и, во-вторых, применяя усовершенствованные технологии памяти с многоуровневыми ячейками (удваивая емкость запоминающего транзистора).

Ячейка NAND флэш-памяти

Сжатие процесса уменьшило физические размеры ячейки памяти, таким образом, скомпоновав большее количество ячеек в том же объеме физического пространства. Учитывая, что физический размер матрицы памяти может быть напрямую переведен в стоимость устройства, расположение большего количества ячеек в области повышает плотность записи устройства и соответственно снижает стоимость на бит памяти.

nand1

Рисунок 1: размер ячейки NAND флэш-памяти продолжает уменьшаться

Принцип работы ячейки флэш-памяти заключается в том, что различный накопленный заряд внутри ячейки соответствует состояниям, в которых ячейка запрограммирована или очищена. Схема периферийного устройства может проверить состояние ячейки (прочесть ее) и определить, в каком состоянии она находится. Чем больше разница между состояниями «запрограммировано» и «очищено», тем проще различить состояния ячейки. Поскольку сжатие технологического процесса уменьшило физические размеры ячейки памяти, величина электрического заряда, который может накапливаться внутри, снизилась, и различать состояния, в которых ячейка запрограммирована или очищена, стало на порядок сложнее. Кроме того, может произойти утечка заряда из ячейки памяти, вызвав ложное прочтение состояния схемой. Данное явление называется сроком хранения данных. Являясь собственным свойством флэш-памяти, срок хранения данных также является функцией количества циклов программирования и стирания, произведенных в ячейке памяти. Это называется ресурсом работы флэш-памяти. Обычно срок хранения данных и ресурс работы указываются вместе как часть характеристики устройства флэш-памяти.

Например, JEDEC (JESD22-A117A, JESD47) определяет зависимость между ресурсом работы и сроком хранения данных следующим образом:

100% ном. ресурс работы 1-летний срок хранения данных

10% ном. ресурс работы 10-летний срок хранения данных

Параллельно со сжатием геометрических размеров процесса производители NAND-памяти ввели методику проектирования, позволяющую хранить множество битов информации в одной ячейке. Память с традиционными одноуровневыми ячейками (SLC) позволяет хранить один бит данных в одной ячейке памяти. Она задает определенное пороговое значение напряжения для различения запрограммированного или очищенного состояния ячейки. Аналогично технология памяти с многоуровневыми ячейками (MLC) позволяет хранить два бита информации в одной ячейке и требует различать четыре пороговых значения напряжения для правильного чтения. Следующее поколение технологий «три бита в ячейке» (TLC) и «четыре бита в ячейке» (QLC) потребует различения восьми и шестнадцати пороговых значений напряжения соответственно. Поскольку уровни напряжения находятся все ближе друг к другу, соответственно становится труднее определить правильное состояние ячейки памяти, чтобы правильно прочитать сохраненные данные.

 

nand2
Рисунок 2: уровни напряжения для технологий флэш-памяти SLC, MLC и TLC

 

Статистическая вероятность выхода ячейки памяти из строя определяется исходным коэффициентом битовых ошибок (RBER), который равен отношению количества вышедших из строя битов и общего количества битов. RBER статистически рассчитывается производителями NAND флэш-памяти для каждого конкретного устройства NAND памяти.

Технология повышения целостности читаемых данных при значении RBER, свойственном устройству NAND-памяти, называется кодом исправления ошибок (ECC). Алгоритм ECC, который встроен в контроллер флэш-памяти, рассчитывает математическое кодовое слово на основе записанных данных. Кодовое слово затем записывается в отдельном разделе матрицы памяти. При чтении данных флэш-контроллер сравнивает читаемые данные с кодовым словом и при необходимости математически исправляет вышедшие из строя биты. Чем более надежным является ECC, тем более надежными являются и данные, читаемые с устройства NAND-памяти.

 

nand3

Рисунок 3: Контроллер ECC снижает коэффициент битовых ошибок

Как показано на рисунке 3, для определенного устройства NAND-памяти с относительно высоким коэффициентом RBER, равным 10-5, контроллер с 4-битовым ECC может снизить коэффициент битовых ошибок до 10-9. Твердотельные устройства хранения данных компании «Fortasa Memory Systems, Inc.» содержат ECC с количеством битов до 24, таким образом, значительно повышая надежность по сравнению с собственным уровнем RBER, присущим NAND флэш-памяти.

Производители флэш-памяти предъявляют минимальные требования по коду коррекции ошибок в зависимости от указанного полупроводникового процесса и флэш-технологии, использованной в устройстве NAND памяти.

 

Геометрия NAND процесса

Ном. ресурс работы, запись/1 год хранения данных

5хнм и выше

SLC

100000 циклов с 1-битовым ЕСС

4хнм

SLC

100000 циклов с 4- битовым ЕСС

3хнм

SLC

100000 циклов с 8- битовым ЕСС

5хнм

MLC

10000 циклов с 4-битовым ЕСС

4хнм

MLC

10000 циклов с 8-битовым ЕСС

3хнм

MLC

5000 циклов с 24-битовым ЕСС

 

Таблица 1: меньшая геометрия NAND-процесса приводит к более низкому сроку хранения данных

Накопители «Fortasa» используют NAND технологии SLC и MLC с ЕСС, имеющим до 12 битов на 512-байтовую страницу и обеспечивающим надежность, значительно превышающую требования производителей при разработке встраиваемой системы.

 

Ресурс работы NAND-памяти

Как было сказано выше, срок хранения данных NAND флэш-памятью прямо пропорционален количеству циклов программирования/стирания, осуществленных в ячейке памяти. В отличие от жестких дисков (HDD), свойства которых не ухудшаются при постоянном повторении циклов программирования/стирания, ячейки флэш-памяти «изнашиваются» при частом использовании. Поэтому постоянная запись (программирование и стирание) в ячейки с одними и теми же адресами вызовет износ этих ячеек. На графике ниже показано увеличение коэффициента RBER NAND флэш-памяти от двух производителей при увеличении количества циклов программирования/стирания.

 

nand4

Рисунок 4: Примеры увеличения RBER при частом повторении цикла программирования/стирания

 

Для решения проблемы ограничения ресурса работы в твердотельных дисках «Fortasa» используется усовершенствованная технология выравнивания износа данных, которая распределяет использование ячеек памяти по всему адресному пространству устройства. Для выравнивания износа NAND-контроллеры «Fortasa» привязывает адрес ячейки, запрошенный хостом, к другому физическому местоположению ячейки носителя информации. Контроллер хранит таблицу соответствий, которая переводит адрес ячейки в конкретное физическое местоположение во флэш-памяти. Поэтому теоретически команда постоянной записи на один и тот же логический адрес может фактически храниться в любых доступных ячейках на носителе информации, будучи абсолютно прозрачной для хоста.

Кроме того, алгоритм выравнивания износа NAND-контроллеров отслеживает износ всех секторов памяти и перемещает статические резидентные данные в более используемые сектора для распределения использования секторов по всему адресному пространству. Этот запатентованный алгоритм обеспечивает значительно более равномерный износ носителя флэш-памяти и позволяет записывать данные более 17 миллионов раз на накопители «Fortasa», прежде чем ограничение ресурса работы не станет критическим. На графике ниже показано, что при записи хостом 17 миллионов раз разница между минимальной и максимальной наработкой (т.е. циклами стирания) блоков в твердотельном диске поддерживается на уровне менее 256 циклов стирания, в то время как собственный ресурс работы составляет 10000 циклов стирания. На графике также показано, что после 17 миллионов записей твердотельный накопитель использовал менее 5000 циклов или 50% собственного ресурса работы MLC флэш-памяти.

nand5

Рисунок 5: твердотельные диски «Fortasa» поддерживают разницу по наработке всех блоков в пределах 256 циклов стирания

Хотя общее количество циклов физического программирования/стирания твердотельных дисков «Fortasa» может превышать величину в 17 миллионов, фактическое количество циклов перезаписи меньше этого значения из-за явления, называемого фактором «стирания для перезаписи».

Коэффициент усиления записи вызывает преждевременный износ твердотельных накопителей

С точки зрения хоста операционная система (ОС) следует условному обозначению жесткого диска и записывает данные объемами кратными 512 байтам или одному сектору данных. Однако, на сегодняшний день минимальным элементом данных, который может быть записан на носитель флэш-памяти, является страница, размер которой изменяется в зависимости от типа флэш-компонента от 2 кб (4 сектора) до 8 кб (16 секторов). Более того, для успешной записи данных флэш-память сначала должна быть очищена, а наименьшим стираемым элементом данных памяти является блок, который состоит из 128 или большего количества страниц (более 512 секторов). Несоответствие между минимальным сектором записи и блоком стирания умножается на количество циклов перезаписи, поскольку каждый раз, когда необходимо стереть используемый блок, не менее 128 страниц данных необходимо записать в другие ячейки флэш-памяти. Аналогично каждый раз, когда один сектор из 512 байт обновляется хостом, на флэш-память необходимо записать целую страницу.

Запись ОС состоит не только из обновления сектора данных, но также из обращения FAT (таблицы размещения данных) к данным, что увеличивает количество циклов программирования/стирания флэш-памяти. Учитывая фрагментарный характер записей FAT и возможные обновления данных, коэффициент усиления неэффективного использования циклов программирования/стирания флэш-памяти в значительной мере снижает собственный номинальный ресурс работы флэш-диска и впоследствии его надежность.

Технология управления NAND-памятью компании «Fortasa» содержит фильтр записи, который уменьшает количество повторяющихся записей, которые могут снизить ресурс работы диска. Фильтр записи накапливает повторяющиеся записи в ячейках с одними и теми же логическими адресами для того, чтобы отфильтровать ненужные операции стирания блока. Простой однопоточный фильтр недостаточен для уменьшения износа диска, поскольку обычная операция записи включает обновление и данных, и записей FAT. Применяя многопоточный фильтр записи, NAND-контроллер компании «Fortasa» присваивает многочисленные фильтры, соответствующие многочисленным блокам стирания, предотвращая ненужную циклическую работу FAT и ввод данных.

Вычисление расчетного срока службы твердотельных дисков в записанных терабайтах (TeraBytes Written)

При выборе флэш-накопителя очень важно предсказать ожидаемый минимальный срок службы продукта при модели использования, связанной с конкретным применением. Если надежность накопителя выше, чем требует главная система, тогда выбранный компонент будет надежно функционировать в течение срока полезного использования системы. Однако, важно понять, какова модель использования главной системы, и сравнить ее с требованиями к надежности памяти при таком использовании.

Например, срок полезного использования твердотельных накопителей компании «Fortasa» может быть оценен согласно следующей математической модели:

  1. Эффективность выравнивания износа (WLE) определяется как отношение среднего количества стираний во всех блоках к максимальному количеству стираний в любом блоке.

  1. Коэффициент усиления записи (WAF) определяется как отношение среднего количества циклов программирования/стирания для блоков твердотельного накопителя к количеству перезаписей диска, где перезаписью диска считается объем записанных хостом данных, разделенный на емкость диска. Коэффициент WAF будет зависеть от рабочих алгоритмов NAND-контроллера, размера страницы NAND-устройства и рабочей нагрузки и может изменяться в течение срока службы твердотельного диска.

  1. Емкость твердотельного диска определяется как общая указанная емкость выбранного твердотельного диска.

  1. Ресурс работы NAND-памяти определяется как минимальный номинальный ресурс работы, указанный производителем NAND флэш-памяти (обычно 100000 циклов для SLC и 10000 циклов для MLC NAND-памяти).

В соответствии с приведенными выше допущениями расчетный срок службы твердотельного накопителя «Fortasa» может быть вычислен в Записанных Хостом Терабайтах (TBW) по следующему равенству:

TBW = [ (Ресурс работы NAND-памяти) x (емкость твердотельного диска) x (WLE) ] / WAF

Рассмотрим три модели использования для типичного OEM-приложения:

Пример 1: запись видео высокой четкости (HD) – в основном последовательная запись больших файлов

Типовое использование может быть определено следующим образом:

  • Размер передачи данных: 256кб

  • Размер видео-файла: 1,8Гб для записи в формате с высокой четкостью

  • Общее кол-во записей: 5 000 раз

  • Макс. требуемое кол-во TBW: 9 TBW

Исходя из следующих эмпирических параметров твердотельного диска с учетом конкретных встроенных программ и NAND флэш-памяти:

  • WLE = 0,9

  • WAF = 1,1

  • Емкость диска = 16Гб

  • Минимальный ресурс работы NAND-памяти = 5 000 циклов

Используя приведенную выше формулу вычисления расчетного срока службы, можно рассчитать минимальный расчетный срок службы твердотельного диска для данного применения:

Объем Записи Хостом = [ (5 000) x (16Гб) x (0,9) ] / 1,1 = 65,5 TBW

Для данного примера с применением указанной модели использования хоста минимальный расчетный срок службы твердотельного диска на 16Гб составит 65,5 TBW, что значительно превышает максимальное требование клиента в 9 TBW. Таким образом, можно сделать вывод, что твердотельные диски обеспечивают продолжительность срока службы, приблизительно в 7 превышающую требующуюся клиенту продолжительность срока службы при данном применении.

Пример 2: Вычислительное приложение – последовательная и произвольная запись файлов различного размера

Типовое использование может быть определено следующим образом:

  • Общий размер файлов,передаваемый ежедневно: 20Гб для обычного размера файлов

  • Общий срок службы продукта: 3 года

  • Макс. требуемое кол-во TBW: 22 TBW

  • WLE = 0,9

  • WAF = 3

  • Емкость диска = 16Гб

  • Минимальный ресурс работы NAND-памяти = 5 000 циклов

Исходя из следующих эмпирических параметров твердотельного диска с учетом конкретных встроенных программ и NAND флэш-памяти:

Используя приведенную выше формулу вычисления расчетного срока службы можно рассчитать минимальный расчетный срок службы твердотельного диска для данного применения

Объем Записи Хостом = [ (5000) x (16Гб) x (0,9) ] / 3 = 24 TBW

Для данного примера с применением указанной модели использования хоста минимальный расчетный срок службы твердотельного диска на 16Гб составит 24 TBW, что превышает максимальное требование клиента в 20 TBW.

Пример 3: пункт продажи – в основном, произвольная запись файлов небольшого размера.

Типовое использование может быть определено следующим образом:

  • Размер передачи данных: 4кб

  • Общий размер файлов, передаваемый ежедневно:180Мб, 15Мб/ч @ 12ч/день

  • Срок службы продукта: 5 лет

  • Макс. требуемое кол-во TBW: 0,33 TBW

Исходя из следующих эмпирических параметров твердотельного диска с учетом конкретных встроенных программ и NAND флэш-памяти

  • WLE = 0,9

  • WAF = 16

  • Емкость диска = 2Гб

  • Минимальный ресурс работы NAND-памяти = 5000 циклов

Используя приведенную выше формулу вычисления расчетного срока службы, можно рассчитать минимальный расчетный срок службы твердотельного диска для данного применения

Объем Записи Хостом = [ (5000) x (2Гб) x (0,9) ] / 16 = 0,56 TBW

Для данного примера с применением указанной модели использования хоста минимальный расчетный срок службы твердотельного диска на 2Гб составит 0,56 TBW, что превышает максимальное требование клиента в 0,33 TBW.

Примеры, приведенные выше, демонстрируют, что минимальный расчетный срок службы твердотельного диска зависит от модели использования главной системы, но при усовершенствованном выравнивании износа и технологии фильтрации записи твердотельные накопители компании «Fortasa» обеспечивают значительно более высокую надежность, чем требуется приложениям с наиболее высокими требованиями.

Мониторинг срока службы продукта

Даже при использовании сложных технологий для смягчения дефицита собственной надежности NAND флэш-памяти, при широком использовании твердотельные диски все равно выходят из строя в определенный момент времени. На сегодняшний день не существует метода определения этого момента выхода из строя. Большинство компьютерных пользователей хорошо знакомы с голубым экраном Microsoft Windows, который говорит о выходе жесткого диска из строя. Событие выхода из строя с появлением голубого экрана является произвольным и непрогнозируемым. Для противостояния этому катастрофическому событию многие IT отделы пропагандируют частое создание резервных копий важной информации.

Со значительно более сложной технологией работы NAND-контроллера в настоящее время можно контролировать работу твердотельных дисков компании «Fortasa» и прогнозировать возможный момент выхода из строя до окончания номинального срока службы. Данная возможность позволяет OEM произвести запланированное создание резервной копии, осуществить постепенную остановку системы и заменить потенциально уязвимый диск.

Применение самоконтролируемой команды на основе технологии SMART от SST позволяет контролировать множество важных параметров использования твердотельного диска. Эти параметры включают количество доступных свободных блоков и максимальную и минимальную наработку блоков. Пользователь может установить контрольную процедуру для проверки этих параметров с определенной частотой и сообщения хосту при достижении критического состояния. Когда критический параметр приближается к заранее установленному максимуму, может быть назначено плановое техническое обслуживание системы или сервисный вызов для замены диска.

Заключение

NAND флэш-память становится предпочтительным носителем информации для пользовательских, промышленных и вычислительных приложений, предоставляющим значительные преимущества высокой производительности, дешевизны, компактности и низкого энергопотребления. Однако неуправляемая недоработанная NAND флэш-память имеет побочные эффекты, проявляющиеся в ограниченной надежности и конечном сроке хранения данных. Усовершенствованная технология управления NAND-памятью, встроенная в NAND-контроллер компании «Fortasa», и производные твердотельные накопители повышают надежность решений на основе NAND-памяти и продлевают номинальный срок службы твердотельных дисков.

 

Редакции документа

 

Редакция

Дата

Описание

Примечания

1.0

28.04.2010

Первый выпуск

 

Copyright © 2010 Fortasa Memory Systems, Inc. Все права защищены.

Информация в данном документе может быть изменена без предварительного уведомления.

«Fortasa» и логотип «Fortasa» являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании «Fortasa Memory Systems, Inc

Другие бренды, названия, торговые марки или зарегистрированные торговые марки являются собственностью их владельцев.

 


Приобрести flash накопители с технологией NAND flash можно у официалььного дистрибьютора TEXCIS TRADE