Tehnologie și cunoștințe - SSD pe un singur cip
Combinați blocuri funcționale monolitic într-o carcasă IC
Combinați blocuri funcționale monolitic într-o carcasă IC
Fa sau cumpara? Atunci când utilizați memorii flash în sistem, există mulți factori care influențează această decizie. Dacă triada performanței - viteza de acces, integritatea datelor și comportamentul pe termen lung - va fi corectă, alegerea se încadrează pe un disc pe un cip. Acest articol explică de ce aceasta este cea mai bună abordare pe termen lung.
Autor: Rudolf Sosnowsky, șef de tehnologie la Hy-Line
Oricine a deschis vreodată un stick USB a identificat componentele individuale din acesta: lângă cipul flash sau cipurile care ocupă cea mai mare suprafață, există cipul controler cu interfață USB și flash și sursa de alimentare. În medii de stocare de calitate superioară, cum ar fi un SSD cu o interfață SATA sau PCIe, există adesea o memorie RAM suplimentară care accelerează transferul, mai ales atunci când scrieți date în memoria flash.
Avantajele unei soluții cu un singur cip
Această configurație este slab potrivită pentru utilizare într-un mediu dur. Șocurile și vibrațiile pun stres pe mecanică și contacte, iar schimbările de temperatură la scară industrială stresează îmbinările lipite. Aceste zone cu probleme pot fi evitate cu o soluție cu un singur cip care combină toate componentele într-o singură carcasă IC și le sigilează ermetic. Carcasa BGA poate fi lipită împreună cu celelalte componente ale circuitului de pe placa de circuit în procesul obișnuit. În cele ce urmează, termenul SSD se va aplica tuturor mediilor de stocare în care cipurile flash sunt conectate la un sistem gazdă prin intermediul unui controler, indiferent de interfață.
Tehnologii Flash
Tehnologia blițului se bazează pe o încărcare electrică prinsă între două straturi izolante. Când scrieți și ștergeți memoria, aceste straturi devin scurt conductoare datorită unei tensiuni crescute, astfel încât încărcătura să le pătrundă. Acest lucru stresează stratul de izolație; rezistența izolației scade în timp și celula îmbătrânește. Producătorii specifică ciclurile P/E în fișele de date și înseamnă programarea și ștergerea (ștergerea) celulei. O singură celulă nu poate fi ștearsă, doar un bloc întreg la un moment dat, deci schimbarea unui singur bit înseamnă un ciclu P/E pentru un bloc întreg.
La citire, nivelul taxei este evaluat pentru a determina o valoare digitală. Cu celula cu nivel unic (SLC), un comparator decide dacă valoarea tensiunii citite înapoi este mai mică sau mai mare decât un prag definit și apoi returnează „0” sau „1”. Cu celula (oarecum nefericită numită) Multi Level Cell (MLC), gradația este mai fină, astfel încât patru niveluri de tensiune diferite sunt interpretate ca starea a doi biți (00, 01, 10, 11). În tehnologia avansată a semiconductorilor, izolația și, astfel, reținerea sarcinii sunt îmbunătățite în continuare, astfel încât celulele cu nivel triplu (TLC) dețin opt valori diferite de tensiune, care sunt evaluate ca trei biți pe celulă. Cu tehnologia Quad Level Cell (QLC) s-a atins punctul culminant temporar.
Odată cu integrarea mai mare prin structuri mai mici, costurile pe bit scad, dar durabilitatea (rezistența) și rata de transfer (performanța) memoriei scad. Deoarece producătorii NAND urmăresc cererea de capacitate mai mare, amintirile SLC sunt greu disponibile la prețuri moderate. Un compromis între capacitate, numărul de cicluri de scriere și costuri este funcționarea celulei MLC în așa-numitul „mod SLC”, care este, de asemenea, cunoscut sub numele de „pseudo-SLC”. Celula de memorie MLC este scrisă doar cu două în loc de cele patru valori posibile. Capacitatea utilizabilă se pierde, dar acest lucru aduce fiabilitate și longevitate. Această procedură necesită o cooperare strânsă între controler și producătorul NAND, deoarece structura internă a modulului flash este importantă aici.
Fig. 2 arată care stări ale unei memorii MLC sunt utilizate pentru maparea modului SLC. Secvența nesecvențială a stărilor binare se datorează imunității crescute la interferență datorată distanței mai mari de Hamming. Numărul de cicluri de scriere crește de zece ori la aproximativ dublu față de costul operației MLC.
Controler bliț
În practică, modulele flash nu sunt conectate direct la un procesor gazdă. Un controler este conectat între gazdă și memorie, care oferă o interfață standard către partea gazdă și are memoria sub control cu ajutorul firmware-ului specializat. În cazul unui SSD, controlerul îndeplinește numeroase funcții pentru a oferi subsistemului de stocare o durată lungă de viață și o viteză mare, cu o fiabilitate maximă. Aceasta include nivelarea uzurii, cu care scrierile sunt distribuite pe întreaga memorie pentru a crește durata de viață a sistemului și gestionarea blocurilor defecte. O altă funcție este controlul și gestionarea unui cache pentru a crește viteza de acces, mai ales la scriere. În sistemele rapide acest cache este creat în mai multe niveluri (vezi Fig. 3).
Integrarea într-o singură carcasă permite optimizarea firmware-ului controlerului pentru proprietățile memoriei. Performanța hardware-ului - viteza de acces, stocarea datelor și rezistența - este reglată fin. Memoria TLC este utilizată pentru o soluție rentabilă. Părți ale memoriei TLC sunt controlate în „modul SLC”, pe de o parte pentru a crește securitatea datelor pentru memoria programului și, pe de altă parte, pentru a servi drept cache pentru memoria TLC mai lentă. În plus, designul compact asigură o bună cuplare termică și insensibilitate la influențele mediului, cum ar fi șocurile și vibrațiile.
Alte avantaje sunt varietatea de produse disponibile în diferite dimensiuni de memorie, cu sau fără memorie cache cache și diferite intervale de temperatură cu aceeași carcasă. Un card plug-in m.2 (vezi Fig. 1), care poate fi inserat simplu, este potrivit pentru evaluarea SSD-ului pe un cip. Datorită designului său compact, această soluție este potrivită în special pentru dispozitive portabile de măsurare și înregistratoare de date, pentru dispozitive în laborator și tehnologie medicală și, datorită masei reduse, pentru toate ansamblurile care sunt expuse la vibrații și șocuri. Deoarece memoria este lipită și nu este conectată, este sigură împotriva manipulării prin schimbarea suportului de date.
Cerințele aplicațiilor tipice
capacități
Producătorii de bliț își măresc capacitatea cipurilor, trecând la tehnologii mai integrate. Chipurile SLC reale nu mai sunt disponibile, concentrarea producției este pe TLC. Aplicațiile necesită în continuare proprietățile cipurilor SLC, cum ar fi păstrarea lungă a datelor, multe cicluri de scriere și fiabilitate. Memoriile TLC sunt, prin urmare, operate într-un „mod” inferior, prin care capacitatea scade, dar crește numărul de cicluri de scriere posibile. Tabelul următor arată ce capacități pot fi realizate cu cipuri cu densități diferite de integrare.
Tehnologia «3D NAND» plasează mai multe cipuri de memorie (matrițe) unul peste altul în carcasă și astfel atinge un raport ridicat de ambalare. Fig. 5 prezintă capacitățile nete pe care le poate obține un SSD pe un cip, în funcție de configurația memoriei și de modul său de funcționare.
perspectivă
Fig. 6 prezintă distribuția ajustată în funcție de număr a diferitelor tehnologii flash NAND. În timp ce oferta de bliț NAND cu integrare redusă, cum ar fi SLC și MLC, a scăzut deja brusc, noua tehnologie QLC apare la orizont. Densitatea integrării în gigabiți pe cip crește și prețul pe bit scade, astfel încât costul pe cip va rămâne aproximativ același. Tehnologia TLC a luat viteză odată cu punerea în funcțiune a unor noi linii de producție și va prelua cea mai mare parte a pieței. În grafică, termenul 3D înseamnă aranjamentul vertical al mai multor matrițe
Exemplu de aplicare 1:
Sistem de înregistrare video digital
În special în vehiculele comerciale, camerele sunt utilizate din ce în ce mai mult pentru a monitoriza zona de lucru. Aceștia susțin șoferul/operatorul cu reprezentarea zonelor pe care nu le poate vedea din poziția sa, de ex. la mers înapoi, direct pe lopata excavatorului sau pe trapa pentru coșurile de gunoi. Semnalul camerei poate fi alimentat direct într-un aparat de înregistrat video digital în scopuri de documentare. Suportul de stocare trebuie să permită o rată de date minimă constantă pentru a nu pierde niciun cadru și să ofere un număr mare de cicluri de scriere care depășesc durata de viață a vehiculului pe cât posibil. Cardurile SD convenționale durează doar un an sau doi.
Domeniile tipice de aplicare sunt utilajele de construcții și agricole, camioanele industriale, vehiculele de transport și vehiculele feroviare. Detectarea punctului mort care tocmai s-a discutat pentru camioane la virarea la dreapta necesită și camere cu înregistrare pentru a păstra dovezile în caz de accidente.
Exemplul de aplicare 2:
Distribuirea automată a medicamentelor în farmacie
Mai ales în farmacii mari precum Medicamentele sunt utilizate în cantități mari în spitale. Cum puteți reduce rata de eroare în timpul distribuției, să cunoașteți întotdeauna inventarul și să nu pierdeți din vedere datele de expirare? Un sistem automat vă va ajuta. Camerele joacă un rol cheie în acest sens, deoarece scanează și identifică fiecare pachet de medicamente stocat sau recuperat. Computerul ține o evidență a tuturor tranzacțiilor și poate furniza informații despre stoc și comenzile de plan în orice moment. Imaginile de înaltă rezoluție înregistrate de pe mai multe pagini sunt stocate într-o memorie, alocate înregistrării de date a medicamentului prin OCR sau cod și rezervate. SSD-ul utilizat pentru aceasta trebuie să aibă o rată mare de transfer de date, deoarece imaginile sunt recepționate într-o succesiune rapidă și permit un număr mare de cicluri de scriere.
Concluzie
Gradul de integrare a mediilor de stocare bazate pe flash va continua să crească în viitorul apropiat. Capacitatea pe cip flash va continua să crească datorită structurilor semiconductoare mai mici și a tehnologiei QLC, în timp ce numărul posibilelor cicluri P/E va scădea din același motiv. Pentru un sistem fiabil, este cu atât mai important să folosiți un controler care controlează în mod optim memoria și asigură funcții pentru nivelarea uzurii, corectarea erorilor și o funcționare stabilă cu o rată de date constant ridicată chiar și în condiții de operare nefavorabile.
SSD-ul de pe un cip combină blocurile funcționale importante ale controlerului gazdă, controlerului blițului, cipurilor blițului și firmware-ului creat de producătorul controlerului în strânsă cooperare cu producătorul blițului monolitic într-o singură carcasă IC și astfel oferă cel mai bun mix Integritatea datelor și raportul cost/performanță pentru toate aplicațiile încorporate.
glosar
1. Dispunerea verticală a celulelor de memorie pentru a salva zona cipului cu aceeași capacitate de încărcare pentru fiecare celulă de memorie
2. Stivuirea mai multor blițuri în carcasă una peste alta pentru a crește capacitatea pe carcasă
Disc în stare solidă, memorie formată din componente semiconductoare
Ciclul de programare/ștergere. De fiecare dată când este scrisă o nouă celulă flash, întregul bloc în care se află trebuie șters.
Celula cu un singur nivel; o celulă de memorie conține două stări de încărcare = un bit. Vezi și MLC, TLC și QLC
Memoria flash MLC, TLC sau QLC funcționează ca și cum ar putea stoca doar un bit pe celulă. Avantaje: P/E mai mare, fiabilitate mai mare; Dezavantaje: mai puțin spațiu de stocare, costuri mai mari
Celula cu mai multe niveluri; o celulă de memorie conține patru stări de încărcare = doi biți. Vezi și SLC, TLC și QLC
Celula cu trei niveluri; o celulă de memorie conține opt stări de încărcare = trei biți. Vezi și SLC, MLC și QLC
Celula de nivel cvadruplu; o celulă de memorie conține 16 stări de încărcare = patru biți. Vezi și SLC, MLC și TLC