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下一代Flash存储器在工业控制领域技术与应用

2020-04-07 04:00:58

  下一代Flash存储器品质与耐用度趋势越来越往下,工控市场客户往往只敢选用单价高昂的SLC存储器,也使得工控应用上的SSD容量受到局限;Flash SSD/DOM业者导入十倍于MLC耐用品质等级的iSLC存储器技术,加上导入种种维护、监控SSD内部Flash在擦写均匀度(Wear Leveling)、品质与稳定性的关键技术,使得MLC可以导入轻量级工控应用,而iSLC存储器将成为工控应用的新宠。

  MLC在嵌入式工控应用的挑战

  NAND Flash随着制程进步,线路宽度与间距越来越细小,连带影响到可擦写次数(P/E Cycles)的缩减。以SLC存储器为例,从3x纳米制程(3xnm)时代的100,000次P/E Cycles,仅需4个ECC bit(错误即时修正位元),到2x纳米制程时代的SLC,其P/E Cycles降到60,000次且需要ECC 24bit。

宜鼎国际股份有限公司工控FLASH事业处协理吴锡熙  

  宜鼎国际股份有限公司工控FLASH事业处协理吴锡熙

  MLC Flash从早期5x纳米制程需要ECC 8bit、P/E cycles为10,000次,到3xnm MLC时P/E Cycles降到5,000次,ECC爆增到15bit;跨入2xnm MLC时P/E Cycles已降到3,000次,需要到ECC 24bit,2ynm MLC时,修正位元数更增加至ECC 40bit。

  周边储存装置的传输速率也不断的提升。2010年ONFI 2.0推进到133MB/s,eMMC v4.41传输速率为104MB/s;2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0规格,把Flash传输速率提升到200MB/s,eMMC v4.5拉高到200MB/s;UFS 1.0传输速率为2.9Gbps,SATAⅡ规格到3Gbps(300MB/s);2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s,UFS v2.0传输速率倍增为5.8Gbps,SATAⅢ则为6Gbps(600MB/s);到2015年ONFI v4.x/Toggle v2.xx规格定义的传输速率增到800MB/s、1.6GB/s。

  面对新一代Flash耐用度╱品质持续下降的种种挑战

  吴锡熙指出,使用MLC存储器挑战,在于持续增加的错误位元数,2ynm制程已经超过40个,在-40?85℃宽温环境下,其错误位元数还会增加;同时 MLC在电源突然中断循环测试(Power Cycling)下容易资料遗失,资料寿命会随着P/E Cycles增加而缩短,以及16K分页设计的MLC在做区块回收(Garbage CollecTIon)时会花费更多处理时间。

  如果客户评估想导入MLC于轻量级工控应用,除了需要有好的平均擦写机制、内部监控工具之外,还要有其他辅助性的技术。

  MLC 会随着P/E cycles擦写次数的增加,错误位元会逐渐增加。依照宜鼎内部长期测试结果,以3xnm MLC为例,从1,000 P/E Cycles以内,平均只产生一个错误位元;经过20,000 P/E cycles后,错误位元数暴增了5倍。2xnm制程的MLC,在1,000 P/E cycles以下的平均错误位元数就已经是5,经过8,000次后增加到25;2ynm制程的MLC在1,000 P/E cycles时错误位元数3,8,000次时增加到34,到10,000次时增加到41个。

  宜鼎提出Flash Correct-and-Refresh(FCR)技术,随时读取并监控错误位元发生率异常增加的MLC区块,修正后搬移到其它储存状况较好的区块后重新抹写更新,可以改善Flash的使用寿命。宜鼎也对16KB分页的MLC Flash,发展出更智慧的区块回收(Garbage CollecTIon)演算法,减少SSD做资料维护的延迟现象。

  吴锡熙认为若要使用MLC存储器时,可采用动态平均擦写(Dynamic Wear-Leveling)技术,再搭配静态平均擦写(StaTIc Wear-Leveling),对于仅3,000次P/E Cycles的MLC来说尤其重要。像宜鼎(Innodisk)就提供一个iSMART工具程式,可以用点状分布图方式,呈现出该SSD某一个区块的写入次数,以及整体Wear-Leveling效果,同时也能针对温度与使用寿命做监控与预估,同时也能发挥监控效能以及预先警示功能。

  而 MLC在写入资料时若突然发生断电情况,万一此时韧体正在进行写入资料或区块回收作业时,特别容易造成被写入的存储页与相邻存储页的连带影响,甚至造成整个SSD资料遗失。因此好的SSD控制芯片需具备失效╱低电压侦测电路,藉由侦测输入电流发生压降时,能迅速的将该写完的存储页完成后,储存必要的系统状态旗号恢复且重新开机载入OS。

  以iSLC提供低成本、高品质的工控应用

  在一般商温(0~70℃)的工控应用下,需要经常性的读写且要五年的品质保证,对于密集读写的重量级应用上,客户往往只选订SLC;但SLC与MLC价差快要五倍。因此宜鼎提出以iSLC存储器解决方案来取代。

  iSLC 与既有SLC、MLC存储器的差异,在于iSLC运用既有的低本的MLC存储器制程技术,在每一个细胞电路单元,使用SLC读写技术(只储存1个位元的电荷值),Endurance因而提升到30,000次P/E Cycles,介于SLC的60,000次与MLC的3,000次之间,成本虽然比MLC高,却比SLC便宜一半。可应用在像是IPC/Kiosk /POS系统、嵌入式系统、伺服器主机板以及薄型终端机等。

  他列出一张以相同2xnm制程的MLC与iSLC长期耐用度的测试图表:MLC 在连续写20,000次后,产生错误位元数超过30;iSLC则是仅有6个,即便连续抹写超过100,000次,产生错误位元数不超过10个,耐用度与品质媲美标准SLC制程的SLC存储器。以32G容量SSD测试,每天写满32GB资料10次,MLC只能维持0.8年,旧制程(3xnm) SLC可以达到27.4年,新制程(2xnm) SLC可达16.4年,而2xnm制程的iSLC可达到7.6年。

  宜鼎国际以iSLC快闪存储器技术设计一系列产品,全为SATAⅡ介面设计:

  型号2.5” SSD 2IE採8通道设计,容量32GB~256GB,循序读写速度为230、200MB/s;SATADOM-QVL 2IE以及SATADOM-QV 2IE则为4通道设计,容量8 ~ 64GB,循序读写速度为130、120MB/s;CFAST 2IE存储器一样为4通道设计,容量8 ~ 64GB,循序读写速度为130、120MB/s。另外有mSATA 2IE的mSATA模组,Halfslim尺寸的SATA Slim 2IE,以及SATADOM QH 2IE模组,皆为SATAⅡ介面四通道设计,容量8 ~ 64GB,循序读写速度为130、120MB/s

  嵌入式应用的SATAIII解决方案

  吴锡熙接着介绍针对嵌入式工控应用的SATAIII产品解决方案。由宜鼎研发的Innodisk ID167控制芯片,采四通道8CE设计,ECC资料修正能力为40bit/1KB;搭配64Mx16bit的DDRⅢ存储器做为读写缓冲区,同时在SATAⅢ的Slumber、DEVSEL模式下仅有33 mW、5mW的功耗。採ID167设计的SSD与mSATA模组,将于2013年第一季开始送样。

  Innodisk ID167搭配选用24/25nm制程的同步型(Sync)MLC Flash存储器颗粒,以IO Meter做效能实测,64GB(4CH)版本,其循序读取╱写入效能达480MB/s、270MB/s,持续性读取╱写入IOPS为80K、 1K;128GB(4CH)版本的循序读取╱写入效能 520MB/s、350MB/s,持续性读取╱写入IOPS为80K、2K;256GB(4CH)循序读取╱写入效能 550MB/s、400MB/s,持续性读取╱写入IOPS为80K、3K,表现算是相当出色。

  跟工控应用为主流的128GB SLC SSD相比,CystalDiskMark v3.0实测结果,256GB MLC SATAIII SSD的循序读取、写入速度为519、344MB/s,而纯SATAⅡ的128GB SLC SSD,循序读取、写入速度为253、190MB/s。在两者成本相近情况下,256GB MLC SATAIII SSD比128GB SLC SATAⅡ SSD容量倍增、效能更快。

  宜鼎也提供有SSD单芯片模组,由Innodisk ID167控制芯片加上Flash硅晶圆封装做COB封装而成,32GB(4CH x 1CE)版本,其循序读取、写入速度为480、140MB/s。跟SATAII SLC的32GB SATADOM做CystalDiskMark v3.0效能实测,SATA III循序读取、写入速度为482、271MB/s;SATA II循序读取、写入速度为252、235MB/s。