Технологии и знания - SSD на чип
Комбинирайте функционалните блокове монолитно в IC корпус
Комбинирайте функционалните блокове монолитно в IC корпус
Направете или купите? Когато използвате флаш памет в системата, има много фактори, които влияят на това решение. Ако триадата на производителността - скорост на достъп, целостта на данните и дългосрочно поведение - е правилна, изборът пада върху диск на чип. Тази статия обяснява защо това е най-добрият подход в дългосрочен план.
Автор: Рудолф Сосновски, ръководител на технологиите в Hy-Line
Всеки, който някога е отварял USB стик, е идентифицирал отделните компоненти в него: до флаш чипа или чиповете, които заемат най-голямата площ, има чипът на контролера с USB и флаш интерфейс и захранването. В по-висококачествени носители за съхранение, като SSD със SATA или PCIe интерфейс, често има допълнителна RAM, която ускорява трансфера, особено при запис на данни във флаш паметта.
Предимства на едночипово решение
Тази конфигурация не е подходяща за използване в сурови условия. Удар и вибрации стресират механиката и контактите, а температурните промени в промишлен мащаб стресират запоените съединения. Тези проблемни области могат да бъдат избегнати с едночипово решение, което комбинира всички компоненти в корпуса на интегралната схема и ги херметично запечатва. Корпусът BGA може да бъде споен заедно с останалите компоненти на платката по обичайния процес. По-нататък терминът SSD ще се прилага за всички носители за съхранение, в които флаш чиповете са свързани към хост система чрез контролер, независимо от интерфейса.
Flash технологии
Технологията Flash се основава на електрически заряд, уловен между два изолационни слоя. Когато записват и изтриват паметта, тези слоеве стават за кратко проводящи поради повишено напрежение, така че зарядът да може да проникне през тях. Това подчертава изолационния слой; изолационното съпротивление намалява с времето и клетката остарява. Производителите посочват P/E цикли в информационните листове и означават програмиране и изтриване (изтриване) на клетката. Една клетка не може да бъде изтрита, само цял блок наведнъж, така че промяната на един бит означава P/E цикъл за цял блок.
При отчитане нивото на заряда се оценява, за да се определи цифрова стойност. С едно ниво клетка (SLC), сравнител решава дали отчетената стойност на напрежението е по-малка или по-голяма от определения праг и след това връща "0" или "1". С (донякъде жалко име) многостепенна клетка (MLC) градацията е по-фина, така че четири различни нива на напрежение се интерпретират като състояние на два бита (00, 01, 10, 11). В усъвършенстваната полупроводникова технология изолацията и по този начин задържането на заряда се подобрява допълнително, така че клетките с тройно ниво (TLC) съдържат осем различни стойности на напрежението, които се оценяват като три бита на клетка. С технологията Quad Level Cell (QLC) временната висока точка е достигната.
С по-високата интеграция чрез по-малки структури, разходите за бит намаляват, но трайността (издръжливост) и скоростта на предаване (производителност) на паметта намаляват. Тъй като производителите на NAND следват търсенето на по-голям капацитет, SLC паметта едва ли се предлага на умерени цени. Компромис между капацитета, броя на циклите на запис и разходите е работата на MLC клетката в така наречения „режим SLC“, който е известен още като „псевдо-SLC“. Клетката памет на MLC се записва само с две вместо възможните четири стойности. Използваният капацитет се губи, но това носи полза за надеждността и дълголетието. Тази процедура изисква тясно сътрудничество между контролера и производителите на NAND, тъй като вътрешната структура на флаш модула е важна тук.
Фиг. 2 показва кои състояния на MLC паметта се използват за картографиране на режима SLC. Непоследователната последователност на двоичните състояния се дължи на повишения имунитет срещу смущения поради по-голямото разстояние на Хаминг. Броят на циклите на запис се увеличава десетократно, приблизително два пъти по-скъпо от цената на операцията MLC.
Флаш контролер
На практика флаш модулите не са свързани директно към хост процесора. Контролер е свързан между хоста и паметта, който предлага стандартен интерфейс към страната на хоста и има паметта под контрол с помощта на специализиран фърмуер. В случай на SSD, контролерът изпълнява много функции, за да осигури на подсистемата за съхранение дълъг живот и висока скорост с максимална надеждност. Това включва изравняване на износването, което разпределя записи в цялата памет, за да увеличи продължителността на живота на системата, и лошо управление на блокове. Друга функция е управлението и управлението на кеш паметта с цел увеличаване на скоростта на достъп, особено при запис. В бързите системи този кеш се създава на няколко нива (вж. Фиг. 3).
Интегрирането в един корпус позволява на фърмуера на контролера да бъде оптимизиран за свойствата на паметта. Ефективността на хардуера - скорост на достъп, съхранение на данни и издръжливост - е фино настроена. TLC паметта се използва за рентабилно решение. Части от TLC паметта се контролират в "SLC режим", от една страна, за да се повиши сигурността на данните за програмната памет, а от друга да служи като кеш за по-бавната TLC памет. В допълнение, компактният дизайн осигурява добро термично свързване и нечувствителност към влиянията на околната среда като удар и вибрации.
Допълнителни предимства са разнообразието от продукти, които се предлагат в различни размери памет, със или без кеш памет и различни температурни диапазони с един и същ корпус. Приставна карта m.2 (вж. Фиг. 1), която може просто да бъде поставена, е много подходяща за оценка на SSD на чип. Поради компактния си дизайн, това решение е особено подходящо за преносими измервателни уреди и регистратори на данни, за устройства в лабораторни и медицински технологии и поради ниската маса за всички възли, изложени на вибрации и удари. Тъй като паметта е запоена и не е включена, тя е защитена срещу манипулация чрез смяна на носителя на данни.
Изисквания на типичните приложения
капацитети
Производителите на Flash увеличават капацитета на своите чипове, като преминават към по-силно интегрирани технологии. Истинските SLC чипове вече почти не се предлагат, фокусът на производството е върху TLC. Приложенията все още изискват свойствата на SLC чиповете, като продължително задържане на данни, много цикли на запис и надеждност. Следователно TLC паметта работи в по-нисък "режим", при което капацитетът намалява, но броят на възможните цикли на запис се увеличава. Следващата таблица показва кои капацитети могат да бъдат постигнати с чипове с различна плътност на интеграция.
Технологията "3D NAND" поставя няколко чипа памет (матрици) един върху друг в корпуса и по този начин постига висок пакет вдясно. Фиг. 5 показва кой нетен капацитет може да постигне SSD на чип в зависимост от конфигурацията на паметта и нейния режим на работа.
перспектива
Фигура 6 показва разпределението на различни NAND флаш технологии с регулиране на броя. Докато предлагането на NAND флаш с ниска интеграция като SLC и MLC вече рязко намаля, новата QLC технология се появява на хоризонта. Плътността на интеграция в гигабита на чип се увеличава и цената на бит намалява, така че цената на чип ще остане приблизително същата. Технологията TLC набра скорост с пускането в експлоатация на нови производствени линии и ще поеме по-голямата част от пазара. На графиката терминът 3D означава вертикално разположение на няколко матрици
Пример за приложение 1:
Система за цифрово видеозапис
По-специално в търговските превозни средства все повече се използват камери за наблюдение на работната зона. Те подпомагат водача/оператора с представяне на зони, които той не може да види от позицията си, напр. при заден ход, директно върху лопатата на багера или върху люка за кофите за боклук. Сигналът на камерата може да се подава директно в цифров видеорекордер за целите на документацията. Носителят за съхранение трябва да позволява постоянна минимална скорост на предаване на данни, за да не загуби никакви рамки и да предлага голям брой цикли на запис, които надвишават експлоатационния живот на автомобила, доколкото е възможно. Конвенционалните SD карти издържат само година или две.
Типични области на приложение са строителните и селскостопански машини, индустриални камиони, транспортни и железопътни превозни средства. Току-що обсъденото откриване на сляпо място за камиони при завиване надясно също изисква камери със запис, за да се запазят доказателства в случай на инциденти.
Пример за приложение 2:
Автоматично отпускане на лекарства в аптеката
Особено в големите аптеки като Лекарствата се използват в големи количества в болниците. Как можете да намалите процента на грешки при издаване, винаги да знаете инвентара и да не изпускате от поглед датите на изтичане? Автоматизирана система помага за това. Камерите играят ключова роля тук, като сканират и идентифицират всяка опаковка с лекарства, която се съхранява или извлича. Компютърът води запис на всички транзакции и може да предоставя информация за акциите и поръчките по план по всяко време. Изображенията с висока разделителна способност, записани от няколко страници, се съхраняват в паметта, присвояват се на записа с данни на лекарството чрез OCR или код и се резервират. Използваният за това SSD трябва да има висока скорост на трансфер на данни, тъй като изображенията се получават в бърза последователност и позволяват голям брой цикли на запис.
Заключение
Степента на интеграция на флаш-базирани носители за съхранение ще продължи да се увеличава в близко бъдеще. Капацитетът на флаш чип ще продължи да се увеличава поради по-малките полупроводникови структури и QLC технологията, докато броят на възможните P/E цикли ще намалее по същата причина. Следователно за надеждна система е още по-важно да се използва контролер, който оптимално контролира паметта и осигурява функции за изравняване на износването, корекция на грешки и стабилна работа с постоянно висока скорост на предаване на данни дори при неблагоприятни работни условия.
SSD на чип комбинира важните функционални блокове на хост контролера, флаш контролер, флаш чипове и фърмуер, създадени от производителя на контролера в тясно сътрудничество с производителя на флаш монолитно в един корпус на интегрална схема и по този начин предлага най-добрия микс Целостта на данните и съотношението цена/производителност за всички вградени приложения.
Терминологичен речник
1. Вертикално разположение на клетките на паметта, за да се спести площта на чипа със същия капацитет на зареждане на клетка памет
2. Подреждане на множество светкавични матрици в корпуса един върху друг, за да се увеличи капацитетът на корпуса на чипа
Solid State Disk, памет, състояща се от полупроводникови компоненти
Цикъл на програмиране/изтриване. Всеки път, когато се записва нова флаш клетка, целият блок, в който се намира, трябва да се изтрие.
Клетка на едно ниво; клетка памет съдържа две състояния на зареждане = един бит. Вижте също MLC, TLC и QLC
Флаш паметта MLC, TLC или QLC работи така, сякаш може да съхранява само един бит на клетка. Предимства: По-голям P/E, по-висока надеждност; Недостатъци: по-малко място за съхранение, по-високи разходи
Многостепенна клетка; клетка памет съдържа четири състояния на зареждане = два бита. Вижте също SLC, TLC и QLC
Клетка с тройно ниво; клетка памет съдържа осем състояния на зареждане = три бита. Вижте също SLC, MLC и QLC
Клетка с четворно ниво; клетка памет съдържа 16 състояния на зареждане = четири бита. Вижте също SLC, MLC и TLC