存储背后的大脑：NAND 闪存控制器实际上是做什么的？

存储背后的大脑：NAND 闪存控制器实际上是做什么的？
 
围绕在基于 NAND 闪存的存储系统的讨论变得很混乱。通常，当人们讨论存储时，只会谈论 NAND 闪存，而忽略了控制器这一独立但同样重要的组件。但是为什么需要控制器呢？简而言之，没有它什么都行不通。
 
NAND 闪存控制器，或简称“控制器”，专为不同的接口（如 PCIe、eMMC、SD、SATA 和 USB）而设计，具有不同的质量和不同的用例。它们的共同点是管理 NAND 闪存上的数据。这种存储技术在过去十年里变得越来越流行，如果没有它，就无法想像我们今天的世界会是什么样子。
 
NAND 闪存技术向 3D 结构的稳步发展，在复杂的控制器和固件的帮助下，成功取代HDD，成为最广泛使用的大容量存储介质。同时，为执行诸如纠错、映射、垃圾收集和数据刷新等任务，控制器面临的挑战也越来越大。那么，一个控制器及其固件相对于另一个有什么优势，又有什么区别呢？
 
控制器及其基本功能
 
控制器是任何 NAND 闪存存储系统背后的大脑。它确保从主机接收到的数据被发送到闪存并可以在以后检索。它将主机系统的读/写/状态命令转换并修改为闪存组件的各种读/写/状态命令。它还将主机的逻辑块地址 (LBA) 或由文件系统管理的扇区地址转换为闪存上的地址，这些地址被组织成块和页面。该控制器确保双方的兼容性并处理任何固有的闪存缺陷。
 
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NAND闪存本质上并不可靠。这是因为半导体（其中 NAND 闪存是其中一种）受到使用过程中变热的显著压力。此外，电子在矽内部迁移，随着时间的推移破坏内部结构。由于热会使得电子移动，所有老化过程都随着热的增加而呈指数加速。半导体内的几何形状或单元结构越小，器件就越容易受到这些影响。今天的半导体结构比以往任何时候都小，需要大量的开发来充分解决这些影响。
 
同时，不同的应用领域有不同的要求。用于消费产品的半导体，每天6 小时，每周 5 天，主要在室温下工作 5 年的设计，与在室外环境中 24/7 工作超过 10 年的工业产品的设计方式不同。同时，每个区域需要存储的数据量也在不断增加。闪存开发人员对此的回答要进入第三维度。
 
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基于NAND闪存的设备具有功耗低、速度快、可靠性高等优点。矽芯片的成本与面积成比例，并且很大程度上与上面的内容无关。因此，NAND闪存每字节的成本取决于在任何给定尺寸的芯片上可以存储多少位。在这方面，有几种技术已被用于提高 NAND 闪存的存储密度。
 
第一种技术是减小每个单元的大小。然而，这种尺寸的减小达到了它的逻辑极限。它还导致了一些不良副作用，例如更大的泄漏电流和更高的错误率。。
 
另一种技术是在每个单元中存储更多位。现代闪存不再是只能存储一位数据的单级单元 (SLC)，而是每个单元可以存储两个 (MLC)、三个 (TLC) 或四个 (QLC) 位，并且这种发展仍在继续。这意味着需要精确的编程和测量。虽然这项技术增加了存储密度，但考虑到较低的性能、较短的寿命和较高的错误率，因此它也只是一种折衷办法。
 
3D NAND 闪存的主要优势是降低了每字节的成本。这是因为芯片的同一区域可以容纳更多位。 3D NAND 芯片中的存储单元比 2D 设备中的存储单元更紧密，它们分散在表面的外侧。现代闪存不是在芯片表面放置存储单元阵列，而是创建多层存储单元，以在矽片内创建完整的三维结构。这允许在同一区域内获得更大的存储容量，同样重要的是，与数据的连接更短，这反过来又允许更快的数据传输。
 
虽然 3D NAND 闪存在存储容量和每字节成本方面可能是正确的选择，但 3D NAND 闪存的有效使用在很大程度上取决于闪存控制器。控制器中需要复杂的机制来有效地管理大内存容量，最大限度地减少单元编程的影响，并确保高耸的单元结构内的最大寿命和可靠性。
 
那么，一个好的控制器有什么特点呢？
 
控制器的功能和特性范围存在许多差异。基本上可以将控制器分为两类：基于 DRAM 的控制器和无 DRAM 控制器。
 
无 DRAM 控制器非常适合用于需要绝对数据可靠性的工业环境或应用（医疗技术设备或移动式的无线电台）。带有 DRAM 的控制器可以实现更高的性能，但是，在可靠性方面，无 DRAM 控制器是更好的选择，因为它们可以保证将数据传输到 NAND 闪存上。在突然断电的情况下，一旦不再供电，由基于 DRAM 的控制器处理的数据将丢失通过 DRAM 缓存的数据。此外，少一个组件也就少了一个成本、考虑和潜在的复杂性。
 
电池会随着时间的推移而老化并失去其充电状态； 单元格的值“翻转”并发生所谓的位翻转。控制器可以检测这些不正确的位并在纠错的帮助下对其进行弥补。然而，如果这些位错误累积，控制器必须采取对策。大多数闪存控制器都包含一种刷新算法，该算法可以检测数据何时变旧并因此变得不稳定，例如，通过时间戳或记录位错误统计信息。较便宜的控制器仅在读取数据时检测和检查数据，即仅当主机请求读取时。更复杂的控制器将所有数据的驱动器扫描安排为另一个后台维护 *** 作。
 
随着时间的推移，读取页面中的块也会对相邻页面的物理数据质量产生负面影响。为了解决这个问题，控制器具有读取干扰管理，可监控闪存中的读取并根据需要更新周围数据。
 
自我监控、分析和报告技术 (SMART) 提供有关 NAND 闪存的运用状况和寿命的信息。它允许用户根据各种属性监控闪存设备的寿命。例如，可以对备用块、擦除 *** 作、读取总数或 ECC 错误总数进行计数，如果可以从闪存中检索相应的数据，则可以准确估计寿命。此功能是 ATA 接口的标准功能。但是，在为 Hyperstone 控制器所设计的其他高要求的应用中，此功能也适用于其他接口，例如 USB 或 SD 和相应的 dem。借助对特定用例的了解，基于 SMART 数据，也可以相应地调整设计。根据要求，控制器和固件可以在成本、性能或可靠性方面进行优化。
 
这些高端功能是否也适用于 SD 卡或 USB 驱动器？
 
是的，事实上，对于这些被设计成便宜的产品，有一个平行的宇宙，一个由控制器、固件、制造和存储供应商组成的生态系统，其重点是可靠性和长期可用性。
 
Hyperstone 的新 SD 控制器 S9 采用交钥匙固件设计，可满足最苛刻应用的需求。为了延长使用寿命和提高数据完整性，控制器包括 FlashXE® ECC 和 hyReliability™ 功能。 hyMap® Flash 转换层确保只有最小的写入放大和最高的耐用性。结果：高效使用 NAND 闪存并降低故障率。功能范围由 hySMART™ 监控工具补充。可以使用应用程序编程接口 (API) 在 S9S 版本的 Hyperstone 控制器中实现的附加安全功能。
 
在存储系统和控制器方面，无论是接口选项还是质量，都有很多选择。为了实现一个兼顾性能和可靠性以及成本和收益的设计，需要大量的洞察力和经验。 Hyperstone 不仅可以从设计和咨询的角度提供帮助，还可以提供一系列控制器和完整的解决方案，例如针对特殊应用进行固件定制的 µSD 卡。如果数据存储对您的应用程序至关重要，或者故障会导致代价高昂的停机时间，那么谨慎选择控制器和存储技术是关键。