Dysk SSD Flash

Pamięci flash typu solid state (Solid State Flash) są dostępne w technologiach NAND i NOR. Technologia NOR umożliwia bezpośrednie adresowanie losowe i przepływ danych w taki sam sposób, jak standardowy układ pamięci RAM, co pozwala na jej wykorzystanie do przechowywania i wykonywania programów w systemie przetwarzania. Układy flash NOR są wolniejsze, mają mniejszą gęstość zapisu i ograniczoną trwałość zapisu, co czyni je gorszymi od rozwiązań opartych na NAND, gdy są stosowane jako alternatywa dla dysku obrotowego.

Technologia NAND Flash to pamięć szeregowa, podobna do dysku twardego. Dane są adresowane i przechowywane w blokach, a nie jako pojedyncze adresowalne bity lub bajty. Dyski SSD oparte na pamięci NAND Flash zostały zaprojektowane tak, aby imitowały obrotowy dysk magnetyczny z perspektywy systemu, oferując krótszy czas dostępu i porównywalną przepustowość danych. Główną wadą dysku SSD w porównaniu z dyskiem magnetycznym jest gęstość danych i koszt na megabajt.

Na potrzeby tej sekcji skupimy się na komponentach NAND, ponieważ dominują one w ofercie dysków SSD. Komponenty pamięci flash NAND są dostępne w gęstościach od 1 Gb (gigabit) do 64 Gb na układ. Dostępne są również konfiguracje Single Level Cell (SLC) i Multi-Level Cell (MLC), gdzie SLC może przechowywać jeden bit na komórkę, a MLC może przechowywać więcej niż jeden bit na komórkę.

Podobnie jak sektory i ścieżki na dysku magnetycznym, komponenty pamięci flash NAND mają struktury zwane stronami i blokami. Strony to sektory, a bloki są analogiczne do ścieżek i, podobnie jak na dysku, każdemu sektorowi przypisany jest kod korekcji błędów (ECC). Typowa konfiguracja komponentów pamięci flash NAND to 128 stron po 4,096 bajtów każda, co daje rozmiar bloku 512 KB. Dane są odczytywane i zapisywane sekwencyjnie, podobnie jak na dysku.

Pamięć flash NAND ma również wady komórek, podobne do wad powierzchniowych dysku. Z tego powodu w urządzeniu znajdują się zapasowe bloki danych, a także tabela remapowania, która umożliwia oprogramowaniu systemowemu maskowanie wadliwych bloków danych w momencie ich wykrycia.

W przeciwieństwie do dysku magnetycznego, pamięć NAND Flash ma ograniczoną wytrzymałość na nadpisywanie, wynoszącą około 1 000 000 razy na blok. Nie można zapisywać danych do tych samych bloków w nieskończoność. Z tego powodu stosuje się schemat równoważenia zużycia, który okresowo przenosi częściej używane obszary, takie jak katalog. Równoważenie zużycia jest podobne do defragmentacji dysku twardego, jednak w przypadku pamięci NAND Flash jest konieczne, w przeciwnym razie dane mogą zostać utracone.

Niektóre układy Flash posiadają wbudowaną obsługę funkcji wyrównywania zużycia, choć funkcja ta jest realizowana głównie przez kontroler lub warstwę oprogramowania systemowego. Wiele wysiłku włożono w ukrycie funkcji wyrównywania zużycia, aby nie zakłócała ona normalnego działania urządzenia.

Grupa Open NAND Flash Interface (ONFI) opracowała standard dla komponentów NAND Flash, który został szeroko przyjęty w branży. Standard ten zapewnia wspólny zestaw wejść/wyjść i poleceń, a także skutecznie ujednolicił wspólną architekturę dla komponentów zgodnych ze standardem ONFI. Architektura ta obejmuje następujące wspólne elementy:

Interfejs danych – zwykle 8-bitowy, czasami 16-bitowy w gęstszych częściach
Kontroler wejścia/wyjścia – multipleksuje typy danych, poleceń i słów statusu. Dekoduje polecenia.
Logika sterowania – zarządza uzgadnianiem transakcji wejścia/wyjścia z kontrolerem Flash
Rejestr adresów – identyfikuje blok, do którego ma być uzyskany dostęp w celu odczytu lub zapisu
Rejestr danych/pamięci podręcznej – pojedynczy statyczny rejestr do buforowania danych pomiędzy wejściem/wyjściem a tablicą
Rejestr statusu – flagi błędów w transakcjach i przepływie danych
Dekodowanie wiersza/kolumny – dzieli wartość adresu na wartości stron
Tablica Flash – komórki Flash ułożone w wierszach i kolumnach

Typowy schemat blokowy komponentu pamięci flash SSD

Poniższa tabela opisuje szczegółowo każdą z linii wejścia/wyjścia i sterowania dla standardowych modułów pamięci flash NAND ONFI.

Linia kontrolna	OPIS	Stosowanie
ALE	Wkład	Włączenie zatrzasku adresu: W czasie, gdy ALE jest w stanie wysokim, informacje o adresie są przeniesiony z I/O[7:0] do rejestru adresowego na układzie scalonym. Po przejściu z niskiego na wysoki przejście na WE# — gdy nie są ładowane informacje adresowe — sygnały ALE należy ustawić na NISKĄ prędkość.
Numer CE	Wkład	Włączanie układu: bramkuje transfery między systemem hosta a urządzeniem NAND Flash. Po zajęciu urządzenia lub rozpoczęciu operacji PROGRAMOWANIA lub KASOWANIA można odrzucone. Więcej szczegółów operacyjnych można znaleźć w sekcji „Działanie magistrali” na stronie 16.
CLE	Wkład	Włączanie zatrzasku poleceń: Gdy CLE jest w stanie wysokim, informacje są przesyłane z I/O [7:0] do rejestru poleceń na chipie na narastającym zboczu sygnału WE#. Kiedy Jeśli informacje o poleceniu nie są ładowane, sygnały CLE powinny być ustawione na NISKI poziom.
LOCK	Wkład	Gdy podczas włączania zasilania LOCK jest ustawiony na WYSOKI, funkcja BLOCK LOCK jest włączona. Aby wyłączyć funkcję BLOCK LOCK, podłącz LOCK do VSS podczas włączania zasilania lub pozostaw ją włączoną. niepołączony (wewnętrzne ściąganie).
KRÓL#	Wkład	Włączenie odczytu: Bramki przesyłają dane z urządzenia NAND Flash do systemu hosta.
MY#	Wkład	Włączenie zapisu: Bramka umożliwia przesyłanie danych z systemu hosta do urządzenia NAND Flash.
WP#	Wkład	Ochrona przed zapisem: chroni przed przypadkowymi operacjami PROGRAMOWANIA i KASOWANIA. Wszystkie Operacje PROGRAM i ERASE są wyłączone, gdy WP# jest NISKI.
I/O[7:0] (x8) I/O[15:0] (x16)	I / O	Wejścia/wyjścia danych: Dwukierunkowe sygnały wejścia/wyjścia przesyłają adres, dane i instrukcje Informacje. Dane są wyprowadzane tylko podczas operacji ODCZYTU; w innych przypadkach operacje wejścia/wyjścia sygnały są wejściami.
R/B#	Wydajność	Gotowy/zajęty: Sygnał gotowości/zajętości to wyjście z otwartym drenem i aktywnym stanem niskim, które wykorzystuje zewnętrzny rezystor podciągający. Sygnał ten służy do wskazania, kiedy układ przetwarza Operacja PROGRAM lub ERASE. Sygnał jest również używany podczas operacji READ w celu wskazuje moment, w którym dane są przesyłane z tablicy do rejestru danych szeregowych. Po zakończeniu tych operacji sygnał gotowości/zajętości powraca do wysokiej impedancji stan.
VCC	Dostawa	VCC: Kula VCC jest źródłem zasilania.
VSS	Dostawa	VSS: Kula VSS stanowi połączenie uziemiające.

Niektóre cechy tego standardu obejmują:

Discovery – umożliwia kontrolerowi Flash określenie cech komponentu Flash
Adresowanie LUN – umożliwia kontrolerowi niezależne aktywowanie operacji na komponentach Flash
Przeplatanie – umożliwia kontrolerowi synchronizację operacji na zestawie komponentów Flash
Buforowanie – umożliwia przepływ danych do/z kontrolera niezależnie od operacji na macierzy Flash
Copyback – umożliwia komponentowi Flash przenoszenie danych z jednego bloku do drugiego bez bezpośredniego udziału kontrolera

Najważniejsi dostawcy podzespołów SSD Flash na rynku na początku 2010 r. to:

Hynix
Intel
Mikron
SanDisk
Toshiba
Numonyx (ST Micro)
Samsung

Każdy dostawca oferuje różnorodne możliwości pod względem pojemności, prędkości i funkcji, dzięki czemu wyróżnia się na tle konkurencji.

Projektanci systemów muszą brać pod uwagę szereg kompromisów podczas wybierania dostawcy i konkretnego komponentu Flash dla docelowego produktu SSD i rynków docelowych.

Kompromisy obejmują:

Programowy – koszt, harmonogram, wsparcie, gwarancja i dostępność.
Techniczny – wydajność, moc, opcje pakietów, funkcje, skalowalność i elastyczność.
Inne – wspólność, kompatybilność, dokumentacja, wsparcie rozwoju, testowanie i reputacja.

W procesie doboru komponentów Flash, projektant systemu przeprowadza również tę samą analizę dla kontrolera Flash i innych części potrzebnych do projektu dysku SSD. To proces iteracyjny, mający na celu znalezienie odpowiedniej kombinacji dostawców i komponentów, aby najlepiej spełnić wymagania konkretnego produktu.

Ewolucja technologii

Nowa generacja komponentów Flash integruje więcej funkcji w obrębie podstawowego komponentu i oferuje inteligentny interfejs zamiast standardowej magistrali pamięci Flash typu ONFI, stosowanej obecnie w dyskach SSD.

Początkowo takie podejście umożliwi umieszczenie komponentów pamięci flash NAND bliżej magistrali procesora hosta w produktach takich jak urządzenia mobilne, co zapewni dużą pojemność pamięci masowej oraz obsługę strumieniowego przesyłania i nagrywania danych w wysokiej rozdzielczości.

W przypadku komputerów PC nie ma obecnie standardu „DIMM” dla pamięci flash NAND. Jest on potrzebny. Obejmowałby on rozmiar modułu, złącze, typ magistrali, zarządzanie błędami i sterowniki.

Powiązane przewodniki:

Dysk SSD Flash

reklama