圍繞基于NAND閃存的存儲(chǔ)系統(tǒng)的對(duì)話(huà)已經(jīng)變得混亂。通常，當(dāng)人們討論存儲(chǔ)時(shí)，他們只談?wù)揘AND閃存，而忽略了單獨(dú)的，但同樣重要的組件，即控制器。但是為什么需要控制器呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，沒(méi)有它，一切都不起作用。

NAND 閃存控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)“控制器”）專(zhuān)為不同的接口（如 PCIe、eMMC、標(biāo)清、SATA 和 USB）而設(shè)計(jì)，具有不同的質(zhì)量和不同的用例。它們的共同點(diǎn)是它們管理NAND閃存上的數(shù)據(jù)。在過(guò)去的十年中，這種存儲(chǔ)技術(shù)變得越來(lái)越流行，如果沒(méi)有它，就無(wú)法想象我們今天的世界。

在復(fù)雜的控制器和固件的幫助下，NAND閃存技術(shù)向3D結(jié)構(gòu)發(fā)展的穩(wěn)步發(fā)展，成功地取代了HDD成為使用最廣泛的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)。同時(shí)，為了執(zhí)行糾錯(cuò)、映射、垃圾回收和數(shù)據(jù)刷新等任務(wù)，控制器面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。

那么，一個(gè)控制器及其固件相對(duì)于另一個(gè)控制器有什么優(yōu)勢(shì)，有什么區(qū)別呢？

控制器及其基本功能：

控制器是任何NAND閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)背后的大腦。它確保從主機(jī)接收的數(shù)據(jù)被發(fā)送到閃存，并可以在以后檢索。它將主機(jī)系統(tǒng)的讀/寫(xiě)/狀態(tài)命令轉(zhuǎn)換并修改為閃存組件的各種讀/寫(xiě)/狀態(tài)命令。它還將主機(jī)的邏輯塊地址 （LBA） 或扇區(qū)地址（由文件系統(tǒng)管理）轉(zhuǎn)換為閃存上的地址，這些地址被組織成塊和頁(yè)面。該控制器可確保兩側(cè)的兼容性，并處理任何固有的閃光缺陷。

為什么不使用一個(gè)小程序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入閃存呢？當(dāng)然，這不可能那么困難！

NAND 閃存本質(zhì)上是不可靠的。這是因?yàn)?a target="_blank">半導(dǎo)體（其中NAND閃存是其中一種類(lèi)型）在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)受到顯著的應(yīng)力。此外，電子在硅內(nèi)遷移，隨著時(shí)間的推移破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于熱量會(huì)移動(dòng)電子，因此隨著熱量的增加，所有老化過(guò)程都會(huì)呈指數(shù)級(jí)加速。半導(dǎo)體內(nèi)的幾何形狀或電池結(jié)構(gòu)越小，器件就越容易受到這些影響的影響。今天的半導(dǎo)體具有比以往更小的結(jié)構(gòu)，需要大量的開(kāi)發(fā)才能充分解決這些影響。

同時(shí)，不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的要求。用于消費(fèi)產(chǎn)品的半導(dǎo)體將每天運(yùn)行六小時(shí)，每周五天，主要在室溫下運(yùn)行五年，其設(shè)計(jì)將與在室外環(huán)境中全天候運(yùn)行十多年的工業(yè)產(chǎn)品不同。同時(shí)，每個(gè)區(qū)域需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量也在不斷增加。閃存開(kāi)發(fā)人員對(duì)此的回答是進(jìn)入第三維度。

越新越好！讓我們?nèi)?D閃光燈，它也更便宜，不是嗎？

基于NAND閃存的設(shè)備具有低功耗，高速和可靠性的優(yōu)點(diǎn)。硅芯片的成本與面積成正比，并且在很大程度上與它上面的內(nèi)容無(wú)關(guān)。因此，NAND閃存的每字節(jié)成本取決于在任何給定大小的芯片上可以存儲(chǔ)多少位。在這方面，已經(jīng)使用了幾種技術(shù)來(lái)增加NAND閃存的存儲(chǔ)密度。

第一種技術(shù)是減小每個(gè)細(xì)胞的大小。但是，這種大小的減小達(dá)到了其邏輯極限。它還導(dǎo)致了一些不良的副作用，例如較大的漏電流和較高的錯(cuò)誤率。

另一種技術(shù)是在每個(gè)單元格中存儲(chǔ)更多位。現(xiàn)代閃存不是只能存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)的單級(jí)單元（SLC），而是每個(gè)單元可以存儲(chǔ)兩個(gè)（MLC），三個(gè)（TLC）或四個(gè)（QLC）位，并且這種發(fā)展仍在繼續(xù)。這意味著需要精確的編程和測(cè)量。雖然此技術(shù)增加了存儲(chǔ)密度，但在考慮較低的性能、較短的使用壽命和較高的錯(cuò)誤率時(shí)，它也只是一種妥協(xié)。

3D NAND閃存的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了每字節(jié)的成本。這是因?yàn)樵谛酒耐粎^(qū)域可以容納更多的位。3D NAND芯片中的存儲(chǔ)單元比2D設(shè)備中的存儲(chǔ)單元更緊密，2D設(shè)備中的存儲(chǔ)單元分布在表面的外部。現(xiàn)代閃存不是在芯片表面放置一系列存儲(chǔ)單元，而是創(chuàng)建多層存儲(chǔ)單元，以在硅內(nèi)創(chuàng)建完整的三維結(jié)構(gòu)。這允許在同一區(qū)域中具有更大的存儲(chǔ)容量，同樣重要的是，與數(shù)據(jù)的連接更短，這反過(guò)來(lái)又允許更快的數(shù)據(jù)傳輸。

雖然3D NAND閃存在存儲(chǔ)容量和每字節(jié)成本方面可能是正確的選擇，但3D NAND閃存的有效使用在很大程度上取決于閃存控制器。控制器中需要復(fù)雜的機(jī)制來(lái)有效管理大內(nèi)存容量，最大限度地減少單元編程的影響，并確保高架單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大使用壽命和可靠性。

那么，一個(gè)好的控制器的特征是什么呢？

控制器的功能和特性范圍有許多不同之處。您基本上可以將控制器分為兩類(lèi)：基于 DRAM 的控制器和無(wú) DRAM 的控制器。

無(wú) DRAM 控制器非常適合用于需要絕對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的工業(yè)環(huán)境或應(yīng)用（醫(yī)療技術(shù)設(shè)備或移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)）。帶有DRAM的控制器可以實(shí)現(xiàn)更高的性能，但是，在可靠性方面，無(wú)DRAM控制器是更好的選擇，因?yàn)樗鼈兛梢员ＷC將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅AND閃存上。如果突然斷電，通過(guò)基于DRAM的控制器處理的數(shù)據(jù)將在不再供電后立即丟失通過(guò)DRAM緩存的數(shù)據(jù)。此外，少一個(gè)組件也少了一個(gè)成本、考慮和潛在的并發(fā)癥。

電池隨著時(shí)間的推移而老化并失去其充電狀態(tài);單元格的值“翻轉(zhuǎn)”，并且會(huì)發(fā)生所謂的位翻轉(zhuǎn)。控制器可以檢測(cè)這些不正確的位，并借助糾錯(cuò)進(jìn)行補(bǔ)償。但是，如果這些位錯(cuò)誤累積，控制器必須采取對(duì)策。大多數(shù)閃存控制器包括刷新算法，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)何時(shí)變舊并因此不穩(wěn)定，例如，通過(guò)時(shí)間戳或記錄位錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)信息。較便宜的控制器僅在讀取數(shù)據(jù)時(shí)才檢測(cè)和檢查數(shù)據(jù)，即僅在主機(jī)請(qǐng)求讀取時(shí)。更復(fù)雜的控制器將所有數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)器掃描安排為另一個(gè)后臺(tái)維護(hù)操作。

隨著時(shí)間的推移，讀取頁(yè)面中的塊也會(huì)對(duì)相鄰頁(yè)面的物理數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，控制器具有讀取干擾管理功能，可監(jiān)控閃存中的讀取并根據(jù)需要更新周?chē)臄?shù)據(jù)。

自我監(jiān)控、分析和報(bào)告技術(shù) （SMART） 提供有關(guān) NAND 閃存的運(yùn)行狀況和使用壽命的信息。它允許用戶(hù)根據(jù)各種屬性監(jiān)控閃存設(shè)備的壽命。例如，可以對(duì)備用塊、擦除操作、讀取總數(shù)或 ECC 錯(cuò)誤總數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果可以從閃存中檢索到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則可以準(zhǔn)確估計(jì)壽命。此功能是 ATA 接口的標(biāo)準(zhǔn)功能。但是，在設(shè)計(jì)用于 Hyperstone 控制器的其他要求苛刻的應(yīng)用中，此功能也相應(yīng)地用于其他接口，例如 USB 或 SD 和 dem。根據(jù)對(duì)特定用例的了解，基于SMART數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)也可以相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)要求，控制器和固件可以在成本、性能或可靠性方面進(jìn)行優(yōu)化。

這些高端功能是否也適用于 SD 卡或 USB 驅(qū)動(dòng)器？

是的，事實(shí)上，特別是對(duì)于這些產(chǎn)品，這些產(chǎn)品被設(shè)計(jì)得很便宜，有一個(gè)平行宇宙，一個(gè)由控制器，固件，制造和存儲(chǔ)提供商組成的生態(tài)系統(tǒng)，其重點(diǎn)是可靠性和長(zhǎng)期可用性。

超石的新型標(biāo)清控制器 S9 采用交鑰匙固件設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足最苛刻應(yīng)用的需求。為了延長(zhǎng)使用壽命和高數(shù)據(jù)完整性，該控制器包括閃存 XE? ECC 和可靠性?功能。hyMap? 閃存轉(zhuǎn)換層僅確保最小的寫(xiě)入放大和最高的耐用性。結(jié)果：有效利用 NAND 閃存，將故障降至最低。功能范圍由hySMART?監(jiān)控工具補(bǔ)充。其他安全功能，可以使用應(yīng)用程序編程接口 （API） 在 S9S 版本的超石控制器中實(shí)現(xiàn)。

在存儲(chǔ)系統(tǒng)和控制器方面，在接口選項(xiàng)和質(zhì)量方面都有很多選擇。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)考慮性能和可靠性以及成本和收益之間權(quán)衡的設(shè)計(jì)，需要大量的洞察力和經(jīng)驗(yàn)。Hyperstone不僅可以從設(shè)計(jì)和咨詢(xún)的角度提供幫助，還可以通過(guò)一系列控制器和完整的解決方案提供幫助，例如針對(duì)特殊應(yīng)用進(jìn)行固件定制的μSD卡。如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)您的應(yīng)用程序至關(guān)重要，或者故障會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間，那么仔細(xì)選擇控制器和存儲(chǔ)技術(shù)是關(guān)鍵。

審核編輯：郭婷