回顾3D NAND FerriSSD三大核心技术

2017-8-4 00:48 30 0
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摘要: 台湾Silicon Motion在今年3月份推出支持3D NAND闪存的6-Gps SATA FerriSSD工业BGA SSD。SSD提供小尺寸和低功耗BGA或球栅阵列,可直接焊接在主板上。SATA FerriSSD 3D NAND器件解决了具有这种数据完整性能力的工业级 ...

台湾Silicon Motion在今年3月份推出支持3D NAND闪存的6-Gps SATA FerriSSD工业BGA SSD。SSD提供小尺寸和低功耗BGA或球栅阵列,可直接焊接在主板上。

SATA FerriSSD 3D NAND器件解决了具有这种数据完整性能力的工业级超大规模服务器和自动化需求,能够检测和纠正主机与NAND阵列之间的数据通路中的任何错误以及从突发的NAND单元恢复的能力高温运行或其他数据保留故障引起的问题。本文主要回顾其中提供的具有端到端数据路径保护,NANDXtend ECC和IntelligentScan三大功能的核心技术。


核心技术一:NANDXtend

新一代NANDXtend™为TLC NAND提供更具可靠性、高效能及低功耗的慧荣专利 NANDXtend™ ECC 技术,包括 LDPC 硬解码和软解码以及 RAID 保护,这些技术增强了 2D/3D TLC NAND 的P/E 周期, 延迟 SSD 使用寿命并确保数据的完整性。

NAND 闪存在使用中不可避免会出现误码,而新一代 NANDXtend™ 包括2KB LDPC 引擎及高级软件算法,提供了较高的功率效率、解码效率和纠错能力,以保持整个数据的一致性,并提供了更好的用户体验。

NANDXtend™是专为TLC SSD产品的需求设计所开发的技术。NANDXtand™三维解错修正机制,结合了LDPC(低密度奇偶修正码)及RAID Data Recover修正技术,能高速平行译码并且精准修正错误。

NANDXtand™独特的三维多层次解错机制,可依解错难易度分层开启错误修正。透过先进的LDPC译码校正执行数据写入,并且分别开启LDPC硬译码(Hard Decode)LDPC软译码(Soft Decode)及Raid Data Recovery进行数据读取。与现有的BCH译码单层错误校正相比较,更能有效提升数据稳定度,同时大幅强化TLC NAND的P/E Cycle,可以为为TLC SSD产品带来更长的使用寿命及稳定度,满足客户设计出最佳市场口碑的TLC SSD产品。

LDPC提升ECC解错效能为了协助客户面对TLC SSD的ECC(错误码修正)设计挑战,在NANDXtend韧体技术中独家导入最先进的LDPC(低密度奇偶修正码)。比起现有的BCH ECC算法,LDPC拥有更高的解错效能,同时所使用的功耗比BCH更低。透过LDPC新一代错误修正技术,将能为TLC NAND带来更高的错误较验能力,进一步提升数据稳定性及P/E Cycle,有效提升TLC SSD产品的使用寿命及可靠度。


RAID Data Recover保留完整SSD空间控制芯片是SSD产品的核心所在,TLC NAND的限制使得必须透过先进控制芯片的执行运算处理,才能发挥最佳稳定效能。而随着TLC NAND制程进步所带来的精简体积,更要求无需预留容量空间(Over-provisioning)也能进行纠错及校准,达成优化SSD效能与稳定度的目标。 


不同于其他竞争对手产品为了增加解错能力,需要预留SSD容量空间执行数据修正。NANDXtand独家韧体结合RAID Data Recover技术,整合于慧荣科技最新一代TLC SSD控制芯片中。RAID Data Recover无需预留解错校验空间,就可以为用户保留更为完整的SSD容量,让消费者更能感受到高容量TLC SSD产品的优势。

根据Silicon Motion内部实验室测试证明,NANDXtand™为TLC SSD能提高三倍使用寿命,透过NANDXtend™韧体技术的协助,在84小时的耐受度中,TLC NAND拥有1800次P/E Cycle的惊人寿命;比起没有NANDXtend™技术加持的TLC NAND,只有600次P/E Cycle的寿命,差距达到三倍。即使在其他的耐受度时间中,NANDXtend™仍然能够提供最优异的P/E Cycle数据,提供最佳的使用寿命保障。


总结NANDXtend技术要点

采用SMI先进的LDPC ECC引擎和独特的Group Page RAID功能,让SSD即使因高温操作环境或资料保存错误而产生突发的NAND储存单元毁损和位元错误,仍可迅速修复。


核心技术二:端到端资料路径保护

所有SSD都包含控制器,允许它们与它们所连接的主机系统进行通信。无论SSD格式(2.5英寸,附加卡,M.2等)或协议(例如SATA或NVMe),SSD都会通过此SSD控制器发送写入或读取的数据。

目前有许多SSD控制器设计。虽然一些SSD控制器将内置缓存(通常是SRAM)作为控制器设计的一部分,但其他SSD控制器可能会利用一个离散的DRAM芯片(或芯片),用于临时存储内部Flash映射表和正在处理的用户数据。一些控制器设计不使用分立DRAM,而是使用NAND Flash的一部分作为其映射表的存储。


SSD依靠NAND Flash芯片进行数据存储。NAND芯片是即使在断电后也可以存储数据的非易失性存储设备。当SSD控制器需要存储或检索数据时,它必须写入或读取NAND闪存芯片。


随着数据从主机PC通过SSD控制器移动到NAND存储器,SSD必须保持数据完整性。在主机到SSD的数据传输实际上被写入NAND闪存存储器之前,通常被称为“正在运行的数据”或“传输中的数据”。SSD控制器包含错误校正技术(称为纠错码的ECC),用于检测和纠正大部分可能影响沿着该轨迹的数据的错误。闪存芯片包含额外的纠错信息,以及写入的每个数据块; 该信息允许SSD控制器在读取数据块时同时校正许多错误。NAND Flash存储器(如硬盘驱动器)在正常操作期间将遇到位错误,它将使用其ECC数据进行正确校正。


在极少数情况下,正在读取的块中的数据错误无法更正; SSD控制器会将此事件识别为不可纠正的ECC错误(UECC),并将错误报告给主机。对于客户端SSD,SSD设计非常可靠。


UECC通常被评为10 ~15位读取中的一个,企业级SSD被评为10 ~16位读取中的一个。使用企业级与客户端SSD的JEDEC JEDS218A和JESD219 UBER要求,与客户端SSD相比,企业级固态硬盘在每10万亿位(〜1.11千兆字节)的比例为1位错误时才会遇到1个不可恢复的位错误读取每1万亿位(〜0.11 PB)的1位错误。


有些SSD厂家还在NAND闪存器件中集成了备用块。这些存储区域通常位于驱动器的超配置(OP)空间中,并且不是用户可访问的。如果NAND设备在数据块中存在过多的错误,那么该块将被标记为坏块,退出并且其中一个备用块将被转入服务。在此过程中,如果需要使用ECC,数据将被更正。备用块的使用扩展了SSD驱动器的使用寿命和耐用性。


总结端到端资料路径保护(End-to-end data path protection) 要点

检测和纠正可能发生在主机与NAND阵列间的资料路径中的任何错误,借此对SSD的SRAM、DRAM以及NAND快闪记忆体阵列提供完整的ECC保护。 


核心技术三:IntelligentScan

在服务器启动 SSD 应用中,大多数是全天候不停机读取。最常见的问题是过度读取造成的读取干扰,以及由服务器机箱内高温引起的潜在数据保存损坏。在企业计算领域,数据丢失保护远高于客户端的计算。虽然保护静态数据 (数据实际上保存到存储媒体) 也是非常重要的,但至关重要的是保护 SSD 中保存的数据。SSD 必须保证所有的数据写入到硬盘并加以保护。

SMI 已加入并设计了FerriSSD的独特保护:带DataRefresh的IntelligentScan业已证明其在高温下对读取干扰和数据保护特别有效。


通过 Intelligent Scan,FerriSSD的固件将对变化中的使用环境作出响应,以智能决定扫描 SSD 的位置、时间和频率。根据阈值和自适应算法,在闲置时进行扫描,以决定根据严重优先级进行扫描的单元 (如温度计数、读取计数和其它因素)。

当IntelligentScan识别出过压单元后,SMI 拥有专利的DataRefresh功能被激活以进行充电、修复或撤出单元块。由于结合了IntelligentScan和DataRefresh,与一般的 NAND 技术规范相比,FerriSSD能够大大延长其使用寿命。


总结IntelligentScan要点

 一种主动保护资料的功能,可避免高温操作环境下可能导致的资料遗失或因密集主机读取操作引起的读取干扰。这种预防措施可在SSD运行过热时自动调整扫描频率,在存在资料遗失风险时刷新记忆体阵列的磁区。


当然除了以上三大核心技术,远程固件更新、针对突然断电损失的先进保护、即时数据还原、纠错、坏块管理、运行状况监视以及自动还原,以及 FastWrite等其它新功能也值得SSD攻城狮们多多学习和研究。更多内容欢迎关注SSD PK 社区


原文参考链接http://cht.siliconmotion.com/A3.3_Tech_Zone.php


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