固態硬盤閃存

固態閃存可採用 NAND 和 NOR 技術。 NOR 技術允許以與普通 RAM 存儲芯片相同的方式直接隨機尋址和數據流，從而允許其用於處理系統內的程序存儲和執行。 NOR 閃存芯片速度較慢、密度較小，並且重寫耐久性能力有限，這使得它們在用作旋轉磁盤的替代品時不如基於 NAND 的解決方案。

NAND閃存技術是一種串行存儲器，就像磁盤驅動器一樣。數據以塊的形式尋址和存儲，而不是作為單獨的可尋址位或字節。基於 NAND 閃存的固態硬盤旨在從系統角度模擬旋轉磁盤，提供更快的訪問時間和可比較的數據吞吐率。 SSD 相對於磁盤的主要缺點是數據密度和每兆字節的成本。

在本節中，我們將重點關注 NAND 組件，因為它們在 SSD 產品中佔據主導地位。 NAND 閃存組件的密度從每芯片 1Gb（千兆位）到 64Gb 不等。還有單級單元 (SLC) 和多級單元 (MLC) 配置，其中 SLC 能夠為每個單元存儲一位，而 MLC 能夠為每個單元存儲多於 1 位。

與磁驅動器上的扇區和磁道類似，NAND 閃存組件具有稱為頁和塊的結構。頁是扇區，塊類似於磁道，就像在磁盤上一樣，每個扇區都有一個關聯的糾錯碼 (ECC)。常見的 NAND 閃存組件配置為 128 頁，每頁 4,096+128 字節，塊大小為 512 KB。數據是按順序讀取和寫入的，也像磁盤一樣。

NAND 閃存還存在固有的單元缺陷，就像磁盤上的表面缺陷一樣。因此，設備中提供了備用數據塊，並且設備中提供了重映射表，以允許系統軟件在發現故障數據塊時將其屏蔽掉。

與磁盤不同，NAND 閃存的重寫次數有限，每個塊約為 1,000,000 次。您只是不能無限期地寫入相同的塊。因此，磨損均衡方案用於定期移動更常訪問的區域，例如目錄。磨損均衡類似於對硬盤進行碎片整理，但對於 NAND 閃存來說，需要進行這種操作，否則數據最終可能會丟失。

一些閃存芯片內置了對磨損均衡的一些支持，儘管此功能主要由控制器或系統軟件層執行。我們付出了很多努力來隱藏磨損均衡活動，以使其不會干擾正常的設備性能。

開放 NAND 閃存接口組織 (ONFI) 制定了 NAND 閃存組件標準，已被業界廣泛採用。該標準提供了通用 I/O 和命令集，並有效標準化了 ONFI 兼容組件的通用架構。該架構包括以下常見元素：

數據接口 – 通常為 8 位，有時在較密集的部分為 16 位
I/O 控制器 – 多路復用數據、命令和狀態字類型。解碼命令
控制邏輯 – 管理與閃存控制器的 I/O 事務握手
地址寄存器 – 標識要訪問的塊以進行讀或寫
數據/緩存寄存器 – 用於緩衝 I/O 和數組之間數據的單字靜態寄存器
狀態寄存器——標記事務和數據流中的錯誤
行/列解碼 – 將地址值分解為頁面值
閃存陣列 – 按行和列排列的閃存單元

典型 SSD 閃存組件框圖

下表更詳細地描述了標準 ONFI NAND 閃存部件的每條 I/O 和控制線。

控制線	產品說明	使用
本	輸入	地址鎖存使能：在ALE為高電平期間，地址信息是從I/O[7:0]傳送到片內地址寄存器。從低到高 WE# 上的轉換——當未加載地址信息時——ALE 信號應驅動為低電平。
CE#	輸入	芯片使能：控制主機系統和 NAND 閃存設備之間的傳輸。設備變忙或開始編程或擦除操作後，CE# 可以取消斷言。有關更多操作詳細信息，請參閱第 16 頁上的“總線操作”。
騎士	輸入	命令鎖存使能：當CLE為高電平時，信息從在 WE# 的上升沿 I/O [7:0] 到片上命令寄存器。什麼時候未加載命令信息，CLE 信號應驅動為低電平。
LOCK	輸入	當上電期間 LOCK 為高電平時，BLOCK LOCK 功能啟用。要禁用 BLOCK LOCK，請在上電期間將 LOCK 連接到 VSS，或者保留它未連接（內部下拉）。
關於＃	輸入	讀使能：門從 NAND 閃存設備傳輸到主機系統。
我們＃	輸入	寫使能：門從主機系統傳輸到 NAND 閃存設備。
WP#	輸入	寫保護：防止意外的編程和擦除操作。全部當 WP# 為低電平時，編程和擦除操作被禁用。
I/O[7:0] (x8) I/O[15:0] (x16)	的I / O	數據輸入/輸出：雙向I/O信號傳輸地址、數據和指令信息。僅在READ操作期間輸出數據；其他時候 I/O 信號是輸入。
節奏藍調#	輸出	就緒/忙：就緒/忙信號是開漏、低電平有效輸出，使用外部上拉電阻。該信號用於指示芯片何時正在處理編程或擦除操作。該信號還用於讀取操作期間指示數據何時從陣列傳輸到串行數據寄存器。當這些操作完成後，就緒/忙信號返回到高阻抗一直。
VCC	供應	VCC：VCC球是電源。
VSS	供應	VSS：VSS 球是接地連接。

該標準的一些特點包括：

Discovery – 允許Flash控制器確定Flash組件的特性
LUN 尋址 – 允許控制器獨立激活閃存組件上的操作
交錯 – 允許控制器同步一組閃存組件上的操作
緩存 – 允許數據獨立於閃存陣列操作流入/流出控制器
回寫——允許閃存組件將數據從一個塊移動到另一個塊，而無需控制器直接參與

截至 2010 年初，市場上主要 SSD 閃存組件供應商包括：

海力士
Intel英特爾
美光科技公司
SanDisk公司
東芝
恆憶（意法半導體）
Samsung

每個供應商都提供各種容量、速度和功能，以使自己在競爭對手中脫穎而出。

系統設計人員在為其目標 SSD 產品和目標市場選擇供應商和特定閃存組件時會進行一系列權衡。

權衡包括：

程式化 – 成本、時間表、支持、保修和可用性。
技術 – 性能、功率、封裝選項、功能、可擴展性和靈活性。
其他 – 通用性、兼容性、文檔、開發支持、測試和聲譽。

在閃存組件選擇的過程中，系統設計人員也在對閃存控制器和SSD設計中所需的其他部件進行同樣的分析。這是一個尋找供應商和組件的正確組合以最好地滿足特定產品要求的迭代過程。

技術演進

下一代閃存組件正在將更多功能集成到基本組件中，並提供智能接口，而不是當今 SSD 使用的 ONFI 類型標準閃存總線。

最初，這種方法將使 NAND 閃存組件更靠近移動設備等產品的主機處理器總線，提供大存儲容量並支持高清數據流和記錄。

對於PC來說，目前PC中的NAND Flash還沒有“DIMM”標準。這是需要的。這包括模塊大小、連接器、總線類型、錯誤管理和驅動程序。

相關指南：

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