帮忙解释下solid state storage device 详细点最好

一、固态存储设备的应用

在航空航天信息处理系统中，大容量固态存储器有磁泡和半导体盘。其主

要优点是没有机械运动部件、比磁盘、磁带存储器更能承受温度、振动、冲击

。90年代初Intel公司推出新型闪速存储器（Flash Memor

y）后，受到宇航系统及其它抗恶劣环境计算机应用领域高度重视。这种半导

体存储器是非易失性的，当电源有故障或被切断后，信息仍保存完整。

闪速存器基本特点是可以电擦除，并且可按字节重新编程，特别适合用在

实时模拟和电子战场合。Flash Memory现也译为快速擦写存储器

。

在宇航系统中Flash Memory主要用在以下领域：

（1）数据采集子系统。所采集的数据可以周期性地从芯片中取出，进行

分析、综合。电擦除后，Flash Memory成为空白芯片，可反复使

用万次以上。

（2）需要周期性地修改已存储的代码和数据表。过去用EPROM（可

擦、可编程只读存储器），修改一次代码耗时15～20分钟，用Flash

只要一秒左右。擦除和重新编程可在同一系统或同一编程器插座中现场进行。

（3）宇航计算机研制阶段（组装、装配），用它存放硬件诊断、调试程

序，芯片直接装焊在电路板上，既可提高系统可靠性，又增加了调试灵活性。

此外，Flash可维修性优异，可通过串行通信口对电路上的芯片直接进行

改写，可显著降低维修费用。

（4）固化 *** 作系统，可以比装在软盘或硬盘上的 *** 作系统开机等待时间

大大减少，提高系统实时性。

（5）当要求系统关键数据安全性时，例如飞行员（领航、驾驶员）携带

飞机数据库中保密信息时，一旦被击落，要有安全措施或清除掉上述信息。美

国海军空战中心信息存储部门十分强调：要在几秒钟内全部清除掉所存信息。

对此磁盘或磁带机难以胜任。

因此，在航空航天及军事系统中，Flash具有非易失性、可电擦除、

高密度和快速诸优点。即使价格昂贵，一般也倾向优选此方案。

二、闪速存储器的基本工作原理

ETOX－Ⅱ（Eprom Tannel OXide）闪速存储器是

Intel公司推出的典型Flash产品，其工艺是由标准的Cmos E

prom工艺发展而来的，单元结构一样。两者差别在于ETOX－Ⅱ的栅极

氧化层较薄，为100～120�，使它具有电擦除功能。而Epron的氧

化层一般为325�。

下面从编程（信息写入）和擦除原理方面进行分析。

1．编程原理

Flash和Eprom的编程原理相同。控制栅上接＋12V±5％的

编程电村Vpp，漏极（drain）上外加5V电压，源极（Source

）接地。漏源极间的电场作用使电子空越沟道，在控制栅的高电压吸引下，这

些自由电子越过氧化导进入浮置栅，（Floating gate），一旦

该栅获得足够多的自由电子，源漏极间便形成导电沟道（接通状态）。信息存

储在周围都绝缘的浮置栅上，即使电源切断，信息仍然保存。

2．擦除原理

Flash的擦除原理和Eprom完全不同。电擦除可编程只读存储器

（EEPROM）每位信息可用电来擦除；而紫外（UV）型Eprom（U

VEPROM）是靠紫外光束来“中和”浮置栅上的电荷实现整体擦除的。

Flash备两种Eprom特点。在源极上施加高电压Vpp，而控制

栅接地，在这种电场作用下，浮置栅上的电子就越过氧化层进入源极区域，被

外加电源全部中和掉，实现整体擦除。随着存储容量增大，Flash也可采

取分区擦除。

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三、Flash存储器芯片及半导体固态盘产品现状

美国两大供应Flash存储芯片的厂商是Intel和AMD。前者约

占70％，AMD占16～30％市场。

Intel公司16Mbits芯片1993年面市，1994年春已推

出单片32Mbits第四代产品。AMD公司将于1994年推出16Mb

its芯片，比商用产品推迟一季度交付军品芯片。

日本有四家公司生产供应4Mb FlashE〔2〕prom，它们是

东芝、日本电气（MEC）、三菱电机和日立，分别用512K×8b、25

6K×16b、或512K×6b以及512K×8b组成，可重写次数10

≥〔4〕次，生产工艺为CMOS、0．7～1．0μm，批量生产时间均为

1992年以后。

从逻辑结构上看，Flash是与或（NOR）逻辑，一般电源电压是＋

5V、＋12V。1987年东芝推出NAND与非逻辑的Nand Epr

om利用Fowler－Nerdhein隧道进行擦除和重写，电源电压只

用单一＋5V。它的位面积仅为Fash的36％，成本比Flash更低。

缺点是读出时间比Flash约慢10倍，在要求体积紧凑、电源单一、可靠

性高的场合Nand型更有潜在优势。第一个Flash产品是在美国的日本

公司开发的，但在生产和应用方面美国处于领先地位。

四、现有Flash存在的主要问题

虽然Flash具有电气整体擦除、高速编程（每个芯片总编程时间仍需

以秒计，每字节花费10～100μs）、低功耗、抗噪声、内部命令寄存器

结构可以和微处理器、单机片机微控制器写入接口兼容，以及比E〔2〕pr

om密度大、价兼、可靠等优点，但仍存在以下缺点和问题：

1．入时间过长（读出速度可与RAM相当）。不适合在军事宇航控制系

统中作随机存储器，适宜用作只读存储器（ROM）。

2．数据传输率不高。一般为270KB／S，而温盘机一般都超过1M

B／S。

3．Flash芯片仍存在极限寿命。过去几年，写入一擦除周期已从1

0〔5〕次提高到10〔6〕次。由于芯片的写入耐疲劳度所限，如果一个扇

区（Sector）被写入5万到10万次，它的氧化层就被磨损。

目前解决上述寿命问题的技术方案有以下三点：

（1）为回避此问题，Targa Electronics）公司研制

一种IDE（Integrated Device Electronic

s）接口的板级固态盘产品，该产品内装软件以保证数据完整性，一旦执行存

取 *** 作就将数据重新安排并且在扇区磁道上标注出已损坏的扇区号。

（2）Sundisk公司作为Flash盘的最早厂家之一已经较好地

解决了这一问题。它采用了纠错码（ECC）技术、磨损调整（Wear－L

eveling）技术，以及动态缺陷管理技术等。

所谓磨损调整技术就像更换汽车轮胎安装部位那样，当某一扇区已经写入

太多次数时，就把基中数据搬移到另一扇区去。

动态降管理技术，必要时把某一已坏的信息位（bit）重新映像到另一

位。Sundisk公司不让任一位写入次数超过5万次，据称使用具备这些

技术的存储系统工作100年也不会破坏。尽管Flash有寿命极限问题，

但可以克服。

Sundisk公司称它不依靠另加软件就可实现磨损调整功能并且该存

储系统能和DOS及Windows系统100％全兼容。虽然它主要面向商

用，但已在波音777飞机上安装使用。

4．在提高可靠性方面存在的问题及改进措施

（1）偶然性的擦除使信息丢失：为此Intel公司1990年在其F

lash芯片中增加了字组保护结构（boot block archit

ecture），它能保持一部分重要代码不被偶然擦除丢失。

（2）传统的Flash芯片为实现重新编程需要单独的外电源＋12伏

电路。为适应军品宽温（－55℃～＋125℃）变化，要求＋12伏±5％

严格控制允差范围，这对军用固态盘存储系统不合适。为此AND公司于19

93年4月推出一种单一＋5伏电源供电、1Mb Flash芯片，其写入

次数至少有10万次。采用这种芯片既提高了可靠性又使写入周期次数增大。

写入周期耐疲劳度（Write cycle endurance）指在每

一扇区内可以反复存储数据的次数。

今后，要求双电源（＋5，＋12伏）的芯片将渐被淘汰。

5．在仿真硬磁盘（HDD）时，占用主机CPU时间

传统的Flash芯片构成存储器时由主机系统的软件命令控制，花费C

PU时间。

AMD公司单电源（＋5伏）芯片中已装入“嵌入式算法”（Embed

ded algorithm）命令由它给出。

许多固态盘仿真旋转式HDD时，主要是CPU花费时间在它的I／O端

口上访问传统的驱动器。

五、现有抗恶劣环境固态盘

我们将适应宽温、耐冲击、抗振动并经过美国军标质量论证过的各公司产

品型号扼要列于表中，以供参考。

闪存产品行业在商业与工业市场有主要的不同，因此相关产品也瞄准了这些市场的不同点。本白皮书概述了这2种市场产品的不同点，并解释了OEM客户为什么考虑从仙人掌科技选择可靠的大容量的工业级闪存产品。

2. 商业与工业级闪存市场

从历史上看，依据电子元件与半导体的 *** 作温度与电压误差，可以分为3个等级

类别 温度 供电误差

商业级 0-70度 ±5%

工业级 -40-85度 ±10%

军工级 -55-125度 ±10%

表格1：电子设备的温度与电压误差分类

商业级闪存市场重点在消费类数字设备，例如数码相机，数码录像机，手机与移动多媒体播放器。他们中常常使用商业级半导体设备，这些设备在使用中不需要达到工业级的温度与宽的电压范围。这个市场主要关心的是价格与容量。买家大多喜欢采购这些闪存，用最低的成本满足最高的存储容量。对很多消费者来说很少关心产品的可靠性，稳定性与性能。

工业级闪存市场主要是对系统持续存储，有高可靠性要求的OEM客户，磁盘由于环境因素而不合适。这些系统包括网络路由器，工业测量与控制系统，汽车与其他高可靠性系统。工业与OEM客户对价格不是很敏感，但是他们要求产品的可靠性，稳定性与性能。在设计的工作环境下，产品必须稳定与可靠。很多高性能要求的应用取代了磁盘驱动器。

商业级与工业级市场的需求有些矛盾，对很多设计者，在消费类电子产品的高可靠性系统设计中，证明使用商业级闪存的设计是困难的。只有在产品生命周期的维护阶段实现。

03. 仙人掌科技工业级产品的优势

仙人掌科技的工业级闪存产品，对工业OEM客户有如下优势：

1. 产品稳定性

2. 扩展的工作条件

3. 高耐力与可靠性

4. 可获得额外的诸如生命周期管理的特征

5. 长产品生命周期

6. 详细的技术的文档与技术支持。

03.1 产品稳定性

仙人掌科技在所有工业级闪存产品上，保持使用稳定的元器件，产品正式上市后核心元件将不再改变。这个包括核心控制器、闪存IC与低级格式化固件。根据设备的特征规格与最低性能目标，一份稳定的材料清单与固件能确保产品稳定性。

更重要的是，逻辑设备的制程工艺，存储容量与自身标识信息，在产品官方发布上市后，都会按出版的产品手册严格保持。这样可以确保主机与闪存设备的接口之间的一致性，因此可以避免主机设计者因为需要改变规格参数，也可以避免由于不同的产品批次之间意外的改变，去适配不同的逻辑设备特征。

在发展期间，设计者能确保仙人掌科技目前运输与生产的每个闪存设备，与已经校验过的闪存设备功能完全一样。

如果因为技术或者其他原因，要求改变BOM或者逻辑设备特征，仙人掌科技将会在客户使用之前，通过正式PCN(产品变更通知)文档通知受影响的客户，来解释说明具体的变更。为了给到客户足够的时间，将重新认证修改后的产品。

03.2 扩展的工作条件

仙人掌科技工业级闪存设备，设计并检验于如下苛刻工作环境条件下：

震动

摆动

潮湿

高海拔

高温

仙人掌科技提供了商业级(0-70度)与工业级(-45-90度)范围的不同工作温度范围的设备。工业级温度的产品超过了工业级温度范围的接受标准，具体参考第一章节。

所有的工作环境规格与技术标准，已通过知名的专门的测试实验室的检验。工作环境测试报告的副本，可以从仙人掌科技的全球销售代表处获得。

03.3 高耐力与数据可靠性

SLC闪存对比经常应用于商业级的MLC闪存，有如下的优势：

更快的访问与擦除性能

在编程/擦除循环测试期间，10万次更高的耐力。

更高的数据可靠性

工作环境超过商业级与工业级温度范围。

为了商业级与工业级温度的模块有更高的性能与可靠性，仙人掌科技的工业级闪存设备只使用SLC。

即使SLC闪存IC本身有更高的可靠性与耐力，闪存的控制器也很重要，它可用来实现磨损均衡，错误校正与缺陷管理算法，对比磁盘可以延长其使用寿命。

仙人掌科技的工业级闪存设备的板上智能控制器，能为保护数据提供复杂的ECC错误检测与纠正算法。此外，它利用磨损均衡算法，在持续的读写 *** 作中确保 *** 作安全可靠。这个算法可以扩大典型SLC闪存的SD卡的编程/擦除循环次数，从10万次增加到大约30万次(806系列SD卡可以到达100万次)，其他产品可达到200万次。为进一步保护数据，智能控制器还能实现实时缺陷块重映射算法，并完全传送给主机，将缺陷块扩大到超过闪存设备的寿命的机会降到最低，这会导致由于不可恢复的ECC错误或者编程/擦除失败导致数据丢失。

03.4 额外的特征

仙人掌科技提供额外的特征，例如批次号条形码标签用于追溯产品。仅PIO传输模式，客户文明用语序列号与工业级CF卡的完整寿命循环管理，PC卡ATA卡，SSD系列与DOM装置。客户也可以要求专门的定制化特征与自定义标签。

03.5 长的产品生命周期

仙人掌科技将试图保持量产中的产品，尽技术可行的能给客户在他们的产品中保证一份稳定的BOM。

如果一个产品由于技术过时宣布停产，仙人掌科技将通过正式的EOL(寿命结束)通知，通知所有相关的客户，我们的应用工程师会协助客户切换他们的设计到当前的产品线。

03.6 技术文档与支持

仙人掌科技工业级闪存设备都有完整的文档，验证过的技术规范，与基于客户需求可获得的产品手册，涵盖技术规范，设备-主机接口规范，与支持的 *** 作命令的介绍。

仙人掌科技也提供技术支持给客户，解决我们的产品的相关问题。