利用3D NAND克服工業(yè)數(shù)據(jù)存儲問題

隨著對新特性和功能需求的增加，大容量存儲在嵌入式工業(yè)應用中的使用持續(xù)增長。雖然更復雜的GUI和應用已經(jīng)通過增加NAND芯片容量而成為可能;更快的接口和各種托管NAND解決方案的可用性;尋找能夠應對極端環(huán)境需求的足夠固態(tài)存儲解決方案的挑戰(zhàn)仍然存在。幸運的是，NAND存儲介質和控制器設計的發(fā)展意味著現(xiàn)在有更可靠和更具成本效益的選擇。

滿足極端環(huán)境的需求

嵌入式設計人員對大容量存儲功能的愿望清單的頂部通常是高可靠性。此外，還需要高機械抗沖擊和振動能力，這通常排除了使用可拆卸存儲器而支持焊接球柵陣列（BGA）器件的可能性。在擴展溫度范圍內的保證操作也可以添加到列表中。此外，理想的解決方案應長期可用，以防止昂貴且耗時的存儲設備重新認證。

實際使用案例 — 找到合適的存儲解決方案

在實際用例中，SSD中數(shù)據(jù)完整性和電源故障數(shù)據(jù)保護的好處至關重要，那就是列車中的制動管理系統(tǒng)。雖然運輸系統(tǒng)設計人員非常小心地確保穩(wěn)定的電源，但掉電并不是完全可以預防的。如果沒有內置的固有電源故障保護，則存在明顯的數(shù)據(jù)損壞風險。如果受影響的文件是操作系統(tǒng)或應用程序軟件的一部分，這可能意味著制動管理系統(tǒng)嚴重故障。典型的制動管理系統(tǒng)監(jiān)控關鍵參數(shù)，如總使用小時數(shù)、制動效率和溫度，以告知關鍵維護計劃。在記錄此數(shù)據(jù)期間發(fā)生故障可能意味著錯過或不必要的停機時間以及增加的維護成本。

為這種類型的嵌入式應用選擇合適的 SSD 至關重要。在許多情況下，單級單元（SLC）NAND存儲器可能是理想的技術，既提供強大的數(shù)據(jù)保留功能，又提供高編程和擦除（P /E）周期。但是，這種技術的主要問題是缺乏高容量選項和更高的內存成本。如果我們看一下低成本的技術，如平面（2D）多級單元（MLC）NAND，它每個單元包含兩個位，我們立即得到更經(jīng)濟，更高容量的選擇。在大多數(shù)情況下，可用的耐久性為3，000至10，000 P / E循環(huán)，這對于許多應用來說已經(jīng)足夠了。

完美的解決方案？

嗯，不完全是。

平面 MLC NAND 將其兩位數(shù)據(jù)存儲在一個存儲單元中。這兩個位位于兩個不同的配對頁面中，這些頁面在單獨的階段中編程。這意味著，如果在寫入一個頁面時電源出現(xiàn)故障，則配對頁面中的數(shù)據(jù)也可能已損壞。主機文件系統(tǒng)可能能夠管理電源故障時正在寫入的頁面，但在稍后某個時間嘗試讀取該數(shù)據(jù)之前，它將不知道損壞的配對頁面。配對頁面的內容將包含不可校正 （UNC） 數(shù)據(jù)，其中每個單元格的費用狀態(tài)不確定，無法解析為 0 或 1。

防止這種情況的傳統(tǒng)解決方案涉及將驅動器的電源保留足夠的時間，以允許頁面程序操作完成。這可以通過板載功率損耗保護電容來實現(xiàn)，以便為頁面編程時間以及一些程序延遲提供足夠的電荷。如果使用的驅動器具有 DRAM 緩存，則存儲的能量需要顯著增加，以防止緩存內容丟失。典型的斷電保護（PLP）解決方案可能如圖1中的通用示例所示。

圖1：通用功率保持電路

新型 NAND 技術

內存架構的最新進展使一類新的基于3D NAND的固態(tài)存儲解決方案成為可能，消除了配對頁面問題。3D NAND使用垂直堆疊的存儲單元層，可以提供與平面NAND閃存相同的耐用性，同時提高成本效益和更快的性能。借助美光的工業(yè) 3D MLC NAND，現(xiàn)在可以在一次通過中實現(xiàn)編程，同時對兩個頁面進行編程。圖2中的單通道編程表示顯示了MLC NAND中電池的典型閾值電壓（Vt）分布，以及如何將充電狀態(tài)解碼為這些電池的位值。

圖 2：單通道編程的表示形式

上下頁可由 NAND 閃存控制器在一次操作中進行編程，因此電池電荷同時移動到兩個頁所需的電平，從而有效地消除了在電源中斷期間配對頁中數(shù)據(jù)損壞的可能性。控制器負責確保塊中的頁面按順序編程，并且下部和上層頁面地址位于共享字行（WL）上。

美光的3D NAND + 綠聯(lián)的NAN驅動器解決方案

具有智能控制器，如綠聯(lián)開發(fā)的用于其小尺寸eMMC NANDrive BGA固態(tài)硬盤的控制器，以及3D MLC NAND的單通道編程功能。制動管理系統(tǒng)設計人員現(xiàn)在可以確保存儲的數(shù)據(jù)不受突然斷電的影響。

控制器只需一步即可對所有狀態(tài)進行編程，而不會干擾相鄰單元，從而降低驅動器上已存在數(shù)據(jù)（稱為“靜態(tài)數(shù)據(jù)”）的風險。此外，該控制器通過使用美光先進的 3D NAND 功能，有助于最大限度地減少傳輸或傳輸中的數(shù)據(jù)（在臨時 DRAM 或 SRAM 緩存緩沖區(qū)中）的損壞。

如果電源在寫入操作中途發(fā)生故障，則主機通?？梢允褂萌沼浌δ芑蚱渌聞展收习踩珔f(xié)議來確定最后寫入的文件未完成，因此應忽略或替換該文件中的數(shù)據(jù)。如果應用程序使用小寫入，則最好是 NAND 頁的大小。然后，復雜的控制器固件將使用利用3D NAND自動讀取校準的高級算法來嘗試恢復最后一頁，即使寫入操作期間電源出現(xiàn)故障也是如此。

控制器自適應閾值電壓調諧進一步增強了控制器恢復最后一頁數(shù)據(jù)的能力。為了保留由于過多的P/E循環(huán)引起的介電泄漏而可能丟失的數(shù)據(jù)，控制器還可以定期刷新存儲單元中的數(shù)據(jù)。

通過實現(xiàn)上述所有功能，綠聯(lián)的工業(yè)eMMC 5.1固態(tài)硬盤和美光的3D MLC NAND已成功通過廣泛的電源故障測試（數(shù)千次電源中斷周期），而不會損壞制動管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷