С какой памятью лучше SSD — MLC или TLC. Что такое флеш-память

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

1. считать в буфер блок информации, в котором он находится
2. в буфере изменить нужный байт
3. записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение - здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas - флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC - он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

В 1989 году состоялся анонс Nand Flash памяти, данная разработка была представлена компанией Toshiba на International Solid-State Circuits Conference. До этого существовали только разработки NOR памяти, основными недостатками которой были: скорость работы и большая площадь чипа. Основным отличием NAND Flash от Nor Flash являются особенности адресации, если в NOR Flash можно адресовать произвольную ячейку, то в NAND Flash применена страничная адресация (обычно размер страницы 528, 2112, 4224, 4304, 4320, 8576 байт).

На сегодня существует масса устройств, где используются микросхемы NAND Flash в том числе и в различных носителях информации, таких как SSD накопители, USB Flash, различные Flash card (MMC, RS-MMC, MMCmicro, SD, miniSD, MicroSD, SDHC, CF, xD, SmartMedia, Memory Stick и т.д.)

Принципиально носители информации на NAND Flash из себя представляют микроконтроллер, который обеспечивает работу с микросхемами памяти, а также работу с различными устройствами по заданному стандартами интерфейсу. В большинстве устройств это выглядит как небольшая плата, на которой размещены одна или несколько микросхем NAND Flash памяти в конструктивном исполнении TSOP-48, short TSOP-48 или TLGA-52 и микроконтроллер. Миниатюрные устройства, как правило выполнены в виде одного чипа в который интегрированы как микросхема Nand Flash, так и микроконтроллер.

Основные недостатки NAND Flash памяти - это недостаточно высокая скорость и не очень большое количество циклов записи, которые способна выдержать микросхема. Для обхода этих проблем, производители контроллеров идут на некоторые ухищрения, такие как организация записи в NAND Flash в несколько потоков, для поднятия быстродействия и организация логических банков разбитых на достаточно крупные блоки и организация сложной системы трансляции.

Для равномерного износа NAND Flash практически во всех контроллерах организованно разделение адресного пространства на логические банки, которые в свою очередь разделяются на блоки (состоящие из нескольких страниц памяти), обычно на 256-2048 блоков. Контроллером ведется учет количества записей в каждый из блоков. Для того чтобы данные пользователя можно было свободно перемещать внутри банка, для этого имеется логическая нумерация блоков т.е. на практике при чтении микросхемы в дамп видим картину что данные пользователя в виде достаточно крупных блоков (16кб – 4Мб) хаотично перемешаны. Порядок работы с пользовательскими данными отражен в трансляторе в виде таблицы в которой указан порядок построения блоков для того чтобы получить упорядоченное логическое пространство.

Для увеличения операций чтения/записи производители контроллеров реализуют функции распараллеливания данных, то есть прямая аналогия с RAID массивом уровня 0 (stripe), только немного более сложная реализация. На практике это выглядит либо в виде внутриблочного распараллеливания (интерлива), на более мелкие подблоки (как правило от 1 байта, до 16Кб), также симметричное распараллеливание (страйп) между физическим банками микросхемы NAND Flash и между несколькими микросхемами.

Стоит понимать, что при таком принципе работы, транслятор накопителя – постоянно изменяющаяся таблица, практически при каждой записи в NAND Flash. Исходя из принципа работы с NAND Flash – чтение блока в буфер, внесение изменений и запись блока на место, очевидно, что наиболее опасны для данных являются незавершенные операции записи; например, когда происходит запись измененного транслятора. В результате необдуманного обращения с накопителями: внезапного извлечения их из USB разъема или из разъема кардридера во время записи, чревато разрушением служебных данных, в частности таблицы трансляции.

При разрушение служебных данных, накопитель не может функционировать или в некоторых случаях функционирует неверно. Извлечение данных программными средствами, как правило, не представляется возможным по многим причинам. Одно из решений – это выпаивание микросхем NAND Flash с последующим чтением на соответствующем считывателе (программаторе). Учитывая, что оригинальный транслятор отсутствует, либо поврежден, предстоит работа по разбору дампа извлеченного из микросхемы NAND Flash. Многие, наверное, обратили внимание на кажущийся странным размер страниц памяти в NAND Flash. Это объясняется тем, что в каждой странице, кроме данных пользователя имеются служебные данные обычно это представлено в виде 512/16; 2048/64; 4096/128; 4096/208 (существуют и значительно более сложные варианты организации данные/служебка). В служебных данных присутствую различные маркеры (маркер, номера блока в логическом банке; маркер ротации блока; ECC; и т.п.) Восстановление пользовательских данных сводится к устранению распараллеливания данных внутри блоков, между банков и между микросхемами памяти для получения цельных блоков. Если есть необходимость, то устраняются внутриблочные ротации, ренумерации и т.п. Дальнейшая задача, состоит в поблочной сборке. Для того чтобы ее осуществить необходимо четко уяснить количество логических банков, количество блоков в каждом логическом банке, количество используемых блоков в каждом банке (задействованы не все) местонахождение маркера в служебных данных, алгоритм нумерации. И только потом производить сбор блоков в конечный файл-образ из которого можно будет произвести чтение пользовательских данных. В процессе сбора подстерегают подводные камни в виде нескольких блоков-претендентов на одну позицию в конечный файл-образ. После решение данного круга задач, получаем файл-образ с пользовательской информацией.

В случаях, когда данные не играют никакой роли, но есть желание восстановить работоспособность самого накопителя, то лучшие вариант коррекции проблем со служебными данными – это выполнение процедуры форматирования фирменной утилитой с сайта производителя накопителя. Многие утилиты фактически переписывают всю служебную информацию, создают чистый транслятор, и выполняют процедуру форматирования с созданием новой файловой системы. Если же производитель не удосужился выложить Recovery-утилиту, тогда выход в виде поиска утилит форматирования накопителей на NAND Flash «по контроллеру», единственно, что покажется сложным пользователю – это обилие производителей контроллеров и сложности с идентификацией последнего.

Павел Янчарский

Перепечатка материалов разрешена только с указанием активной ссылки на оригинал статьи

NAND и NOR: что они такое, и с чем их едят

Думаю, многие, читая в новостях о флэш-памяти, сталкивались с какими-то странными ругательными сокращениями типа NOR и NAND. При этом расшифровки значений, как правило, не приводилось, и найти им какое-либо объяснение вам, скорее всего, вряд ли удалось. Попробуем внести хоть какую-то ясность в этот вопрос.

Итак, сокращения NOR и NAND обозначают тип логических элементов, используемых в данной единице флэш-памяти. NOR обозначает логический элемент ИЛИ-НЕ (NOT OR), а NAND - И-НЕ (NOT AND). Но, поскольку мне сейчас не хочется читать вам курс булевой алгебры и основ цифровой логики, которая вам, к тому же, и не нужна, остановимся лишь на результатах использования этих технологий.
Основная функция накопителей на флэш - хранить информацию. И отсюда вытекает первое различие: достигнутые сегодня плотности записи для технологии NAND превосходят достигнутые в NOR, причем разница измеряется в порядках. И требования хранения больших объемов и компактности однозначно определяют технологию используемой флэш-памяти. Впрочем, это не единственный критерий. Не менее важной является возможность выполнять в памяти записанный программный код, т.е. так называемая XIP Capability (XIP - eXecute In Place). Такая возможность существует у NOR-технологии и отсутствует у NAND. Так получается, что основным назначением памяти, произведенной по технологии NAND, является хранение данных, а по технологии NOR - хранение исполнимого программного кода и, в меньшей степени, данных (что обусловлено не только доступным малым объемом - чуть позже мы вернемся к этому).

Флэш-устройства делятся на части, которые называются блоками. Это необходимо делать для преодоления некоторых физических ограничений и из ценовых соображений. Запись в любом устройстве флэш определенного блока может быть произведена только если этот блок пуст или очищен. В большинстве случаев получается так, что операции записи должна предшествовать операция стирания. И если в NAND-устройствах операция стирания блока может быть произведена сразу, то в NOR-устройствах необходимо предварительно установить все байты блока в ноль. Нужно также сказать что типичное значение размера блока в NOR-устройствах составляет 64 или 128 Кб (8-32 Кб у NAND), что в сочетании с и так невысокими скоростями работы флэш приводит к тому, что операции записи со стиранием могут занимать до нескольких секунд. Это и является сдерживающим фактором применения NOR-флэша в качестве носителя данных. А применение его для хранения исполнимого кода возможно в том случае, если он устраивает в плане производительности - требования не должны быть высокими. Время стирания памяти NAND измеряется в миллисекундах и имеет первый порядок. А малый размер блока в случае неблагоприятных внешних условий гарантирует потерю минимального объема данных. Итак, подводя итог по этому абзацу: операции чтения NOR несколько быстрее NAND; операции же записи, наоборот, быстрее у NAND, причем значительно; благодаря малому размеру блока NAND в единицу времени нуждается в меньшем числе стираний (что, как мы увидим ниже, еще и способно продлить срок ее функционирования в устройстве), которые она проводит приблизительно на три порядка быстрее, чем NOR.

NOR-флэш является устройством памяти с произвольным доступом. Микросхемы NOR имеют интерфейс, позволяющий произвести адресацию и получить легкий доступ к каждому отдельному байту. Интерфейс ввода-вывода устройства памяти NAND значительно сложнее и меняется от устройства к устройству и от разработчика к разработчику. Одни и те же выводы (зачастую их 8) используются для передачи управляющих сигналов, адреса и данных. Кроме того, в NAND-флэше доступ осуществляют блоками обычно в 512 байт, т.е. за одно обращение считывается или записывается 512 байт. Доступ к каждому блоку произвольный, но, так как нет возможности обратиться к отдельному байту, память типа NAND не является в известном смысле памятью произвольного доступа. Выдача каждого байта из 512-байтного блока осуществляется на шину памяти последовательно, поэтому уместно говорить о последовательном доступе. Что и делают. Или о памяти со страничной организацией. Теперь становится понятней, почему NOR больше подходит для хранения и выполнения программ, а NAND - для хранения данных.
Схемотехнически ячейка памяти NAND организуется проще: она имеет меньший размер по сравнению с NOR, и это соответственно приводит к повышению плотности записи, уменьшению энергопотребления и стоимости производства.

Но у любой технологии не могут быть только положительные стороны. В этом смысле NAND тоже не исключение. Как и при эксплуатации любых накопителей, возможны случайные ошибки чтения и порча накопителя в целом. Для устройств памяти флэш-типа актуально говорить о безошибочном чтении, обработке плохих блоков и числе циклов чтения/записи. Явление ошибочного вычитывания битов (называется bit-flipping) больше характерно для NAND-памяти, чем для NOR. Вред от одного ошибочного бита определяется типом данных, к которым он принадлежит. Так, для мультимедийных данных это окажется несущественным, но подобная ошибка в программном коде или критически важных данных может привести к весьма трагическим результатам. Как я уже сказал, для NOR-памяти это явление менее характерно, а память на технологиях NAND нуждается в использовании какого-то дополнительного механизма обнаружения и коррекции ошибок.

Технологии производства NAND-памяти пока несовершенны, и изначально память содержит какое-то число неработающих элементов. Так как в NAND группа запоминающих ячеек объединяется в блок, то испорченная ячейка в блоке приводит к неработоспособности блока в целом, т.е. получается плохой блок. Поэтому появляется необходимость отслеживать состояние блоков и использовать только рабочие, что осуществить намного проще, чем произвести память, абсолютно не содержащую плохих страниц: такое производство оказывается очень дорогим (похожая ситуация была в свое время с LCD-панелями). По очевидным причинам этот вид дефектов не характерен для NOR.

Рабочий ресурс микросхем флэш выражается в минимально и максимально возможном числе циклов стирания каждого отдельного блока (а мы уже знаем, что каждая запись блока обязательно сопровождается его предварительным стиранием). Для памяти на технологиях NOR оно составляет 10.000 и 100.000 циклов соответственно, для NAND - 100.000 и 1.000.000 циклов. Все предельно просто, и комментировать нечего.
Использование NOR-памяти отличается сравнительной простотой. Она не нуждается в каких-либо дополнительных драйверах, а может быть просто установлена и использована. C NAND сложнее, так как разные производители используют разные интерфейсы, и для нее скорее всего понадобится драйвер. Впрочем, несмотря на то, что у NAND-памяти много преимуществ, вы не должны думать, что NOR - это вчерашний день. NOR-память сегодня находит применение в многочисленных устройствах, не нуждающихся в больших объемах и некритичных к производительности. NAND находит применение в тех областях, где бОльшая сложность по применению оправдывается большИми доступными объемами и производительностью.

По материалам компаний - производителей флэш
M-Systems, Samsung и др.

За долгие годы работы специалисты LSI пришли к пониманию всей важности аналитики взаимодействия с NAND флэш-памятью для оптимизации производительности и увеличения времени ее жизнедеятельности. В связи с этим в компании создали группу, которая занимается изучением поведения NAND флэш и описанием особенностей взаимодействия с контроллерами LSI. Предлагаю вашему вниманию интервью с экспертом в этой области Биллом Хантом, главным инженером аналитического отдела, которое позволяет лучше понять, чем занимается группа.

Все ли NAND флэш одинаковы?

Конечно, нет. Спецификации NAND флэш, производительность и другие характеристики разнятся не толькоу разных производителей, они также отличаются и между моделями одного семейства. Зачастую разнятся даже чипы одной модели, произведенные в разное время, особенно на самых первых этапах и впоследствии. Порой, производители специально создают различные модели одного чипа, адресованные различным рынкам, например, для корпораций и пользовательских решений. Понимание разницы между типами NAND жизненно необходимо для построения эффективного решения.

Чем чипы NAND отличаются у разных производителей?

Существуют два «уровня» разницы между производителями чипов: различия, обусловленные разницей архитектуры, и различия между производителями, использующими одинаковую архитектуру. У производителей NAND с разным дизайном и производственным процессом отличия кардинальны. Они состоят в разной распиновке, требованиях к питанию, расположении блоков и страниц, схемах адресации, командах, процедурах восстановления при сбоях чтения и многом другом.

Некоторые производители используют схожие дизайны и производственные процессы. Но даже в этом случае, их продукция может иметь существенные операционные различия. Каждое устройство может иметь уникальные свойства, зависящие от настроек при производстве, команды, диагностики. Даже при использовании стандартных интерфейсов, таких как ONFI и Toggle, нет гарантии одинаковой работы. У каждого производителя есть своя интерпретация этих стандартов.

Каковы различия между чипами NAND разных поколений?

Уменьшение геометрии при производстве чипов требует новой архитектуры. Новая архитектура приводит к изменениям в работе и спецификациям устройства NAND. Самые большие изменения вызываются ростом плотности чипов памяти. Например, размер и расположение блоков и страниц должны изменяться, чтоб справиться с новой архитектурой и возрастающей емкостью. Поскольку ячейки памяти становятся меньше и плотнее, функции обработки ошибок также должны улучшаться. Растут требования к кодам коррекции ошибок (ECC) и резервным участкам. Также NAND должны адаптироваться к возрастающей скорости появления сбойных блоков. Скорость передачи данных и производительность каждого нового поколения также должна увеличиваться, чтоб удовлетворять потребности пользователей. Это приводит к изменениям в спецификациям тайминга интерфейса и добавлению новых функций. В целом, работоспособность NAND ухудшается по мере уплотнения геометрии, и критически важно понимать эти изменения для разработки более мощных и эффективных механизмов ECC.

Какие тесты проводятся в лаборатории флэш-аналитики LSI?

Лаборатория флэш-аналитики преследует две цели. Первая - мы интегрируем устройства NAND в SSD с контроллером LSI SandForce, чтобы убедиться в том, что они работают вместе. Вторая - мы испытываем устройства NAND, чтобы увидеть, как флэш-память работает на протяжении всего своего жизненного цикла. Мы проводим тестирования в разных рабочих режимах. Понимание поведения непосредственно чипов NAND критически важно для разработки решений с надежностью и производительностью, востребованными рынком.

Проводятся ли испытания флэш-памяти «за пределами» их паспортного жизненного цикла?

Да. Поставщики NAND не всегда делятся результатами и методиками их тестов на выносливость, поэтому мы вынуждены собирать эти данные самостоятельно. Обычно, мы проводим цикли записи/стирания до тех пор, пока уровень ошибок не достигнет очень большой величины, или случится фатальный сбой. Также мы измеряем и другие параметры, например, объемы резервирования. Понимать поведение памяти по мере старения просто необходимо для того, чтобы прогнозировать, как будут вести себя устройства в сценариях реального мира.

Существует два основных типа Flash-памяти: NOR и NAND. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют области использования каждой технологии. Их основные характеристики представлены в таблице.

NOR Flash Memory

Память NOR, названная так в честь особой разметки данных (Not OR – логическое Не-ИЛИ), является высокоскоростной памятью Flash. Память NOR предоставляет возможность высокоскоростного, случайного доступа к информации, и обладает способностью записывать и считывать данные в определенном месте без необходимости обращаться к памяти последовательно. В отличие от NAND памяти, память NOR позволяет обращаться к данным размером до одного байта. Технология NOR выигрывает в ситуациях, когда данные случайным образом записываются или читаются. Поэтому NOR чаще всего встраивают в сотовые телефоны (для хранения операционной системы) и планшеты, а также используется в компьютерах для хранения BIOS.

NAND Flash Memory

NAND память была изобретена после NOR, и также названа в честь особой разметки данных (Not AND – логическое Не-И). NAND память записывает и считывает данные с высокой скоростью, в режиме последовательного чтения, упорядочивая данные в небольшие блоки (страницы). Память NAND может считывать и записывать информацию постранично, однако не может обращаться к конкретному байту, как NOR. Поэтому NAND обычно используют в твердотельных накопителях (), аудио и видео проигрывателях, телевизионных приставках, цифровых камеры, мобильных телефонах (для хранения пользовательской информации) и других устройствах, в которых данные, как правило, записываются последовательно.

Например, большинство цифровых камер используют память на основе технологии NAND, так как изображения снимаются и записываются последовательно. Технология NAND является более эффективной еще и при чтении, так как она способна передавать целые страницы данных очень быстро. Как последовательная память, NAND идеальна для хранения данных. Цена на