下一代Flash存儲(chǔ)器在工業(yè)控制領(lǐng)域技術(shù)與應(yīng)用

　　下一代Flash存儲(chǔ)器品質(zhì)與耐用度趨勢(shì)越來(lái)越往下，工控市場(chǎng)客戶往往只敢選用單價(jià)高昂的SLC存儲(chǔ)器，也使得工控應(yīng)用上的SSD容量受到局限；Flash SSD/DOM業(yè)者導(dǎo)入十倍于MLC耐用品質(zhì)等級(jí)的iSLC存儲(chǔ)器技術(shù)，加上導(dǎo)入種種維護(hù)、監(jiān)控SSD內(nèi)部Flash在擦寫(xiě)均勻度（Wear Leveling）、品質(zhì)與穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)，使得MLC可以導(dǎo)入輕量級(jí)工控應(yīng)用，而iSLC存儲(chǔ)器將成為工控應(yīng)用的新寵。

　　MLC在嵌入式工控應(yīng)用的挑戰(zhàn)

　　NAND Flash隨著制程進(jìn)步，線路寬度與間距越來(lái)越細(xì)小，連帶影響到可擦寫(xiě)次數(shù)（P/E Cycles）的縮減。以SLC存儲(chǔ)器為例，從3x納米制程（3xnm）時(shí)代的100,000次P/E Cycles，僅需4個(gè)ECC bit（錯(cuò)誤即時(shí)修正位元），到2x納米制程時(shí)代的SLC，其P/E Cycles降到60,000次且需要ECC 24bit。

　　宜鼎國(guó)際股份有限公司工控FLASH事業(yè)處協(xié)理吳錫熙

　　MLC Flash從早期5x納米制程需要ECC 8bit、P/E cycles為10，000次，到3xnm MLC時(shí)P/E Cycles降到5，000次，ECC爆增到15bit；跨入2xnm MLC時(shí)P/E Cycles已降到3，000次，需要到ECC 24bit，2ynm MLC時(shí)，修正位元數(shù)更增加至ECC 40bit。

　　周邊儲(chǔ)存裝置的傳輸速率也不斷的提升。2010年ONFI 2.0推進(jìn)到133MB/s，eMMC v4.41傳輸速率為104MB/s；2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0規(guī)格，把Flash傳輸速率提升到200MB/s，eMMC v4.5拉高到200MB/s；UFS 1.0傳輸速率為2.9Gbps，SATAⅡ規(guī)格到3Gbps（300MB/s）；2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s，UFS v2.0傳輸速率倍增為5.8Gbps，SATAⅢ則為6Gbps（600MB/s）；到2015年ONFI v4.x/Toggle v2.xx規(guī)格定義的傳輸速率增到800MB/s、1.6GB/s。

　　面對(duì)新一代Flash耐用度╱品質(zhì)持續(xù)下降的種種挑戰(zhàn)

　　吳錫熙指出，使用MLC存儲(chǔ)器挑戰(zhàn)，在于持續(xù)增加的錯(cuò)誤位元數(shù)，2ynm制程已經(jīng)超過(guò)40個(gè)，在-40?85℃寬溫環(huán)境下，其錯(cuò)誤位元數(shù)還會(huì)增加；同時(shí) MLC在電源突然中斷循環(huán)測(cè)試（Power Cycling）下容易資料遺失，資料壽命會(huì)隨著P/E Cycles增加而縮短，以及16K分頁(yè)設(shè)計(jì)的MLC在做區(qū)塊回收（Garbage CollecTIon）時(shí)會(huì)花費(fèi)更多處理時(shí)間。

　　如果客戶評(píng)估想導(dǎo)入MLC于輕量級(jí)工控應(yīng)用，除了需要有好的平均擦寫(xiě)機(jī)制、內(nèi)部監(jiān)控工具之外，還要有其他輔助性的技術(shù)。

　　MLC 會(huì)隨著P/E cycles擦寫(xiě)次數(shù)的增加，錯(cuò)誤位元會(huì)逐漸增加。依照宜鼎內(nèi)部長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果，以3xnm MLC為例，從1，000 P/E Cycles以內(nèi)，平均只產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤位元；經(jīng)過(guò)20，000 P/E cycles后，錯(cuò)誤位元數(shù)暴增了5倍。2xnm制程的MLC，在1，000 P/E cycles以下的平均錯(cuò)誤位元數(shù)就已經(jīng)是5，經(jīng)過(guò)8，000次后增加到25；2ynm制程的MLC在1，000 P/E cycles時(shí)錯(cuò)誤位元數(shù)3，8，000次時(shí)增加到34，到10，000次時(shí)增加到41個(gè)。

　　宜鼎提出Flash Correct-and-Refresh（FCR）技術(shù)，隨時(shí)讀取并監(jiān)控錯(cuò)誤位元發(fā)生率異常增加的MLC區(qū)塊，修正后搬移到其它儲(chǔ)存狀況較好的區(qū)塊后重新抹寫(xiě)更新，可以改善Flash的使用壽命。宜鼎也對(duì)16KB分頁(yè)的MLC Flash，發(fā)展出更智慧的區(qū)塊回收（Garbage CollecTIon）演算法，減少SSD做資料維護(hù)的延遲現(xiàn)象。

　　吳錫熙認(rèn)為若要使用MLC存儲(chǔ)器時(shí)，可采用動(dòng)態(tài)平均擦寫(xiě)（Dynamic Wear-Leveling）技術(shù)，再搭配靜態(tài)平均擦寫(xiě)（StaTIc Wear-Leveling），對(duì)于僅3，000次P/E Cycles的MLC來(lái)說(shuō)尤其重要。像宜鼎（Innodisk）就提供一個(gè)iSMART工具程式，可以用點(diǎn)狀分布圖方式，呈現(xiàn)出該SSD某一個(gè)區(qū)塊的寫(xiě)入次數(shù)，以及整體Wear-Leveling效果，同時(shí)也能針對(duì)溫度與使用壽命做監(jiān)控與預(yù)估，同時(shí)也能發(fā)揮監(jiān)控效能以及預(yù)先警示功能。

　　而 MLC在寫(xiě)入資料時(shí)若突然發(fā)生斷電情況，萬(wàn)一此時(shí)韌體正在進(jìn)行寫(xiě)入資料或區(qū)塊回收作業(yè)時(shí)，特別容易造成被寫(xiě)入的存儲(chǔ)頁(yè)與相鄰存儲(chǔ)頁(yè)的連帶影響，甚至造成整個(gè)SSD資料遺失。因此好的SSD控制芯片需具備失效╱低電壓偵測(cè)電路，藉由偵測(cè)輸入電流發(fā)生壓降時(shí)，能迅速的將該寫(xiě)完的存儲(chǔ)頁(yè)完成后，儲(chǔ)存必要的系統(tǒng)狀態(tài)旗號(hào)恢復(fù)且重新開(kāi)機(jī)載入OS。

　　以iSLC提供低成本、高品質(zhì)的工控應(yīng)用

　　在一般商溫（0~70℃）的工控應(yīng)用下，需要經(jīng)常性的讀寫(xiě)且要五年的品質(zhì)保證，對(duì)于密集讀寫(xiě)的重量級(jí)應(yīng)用上，客戶往往只選訂SLC；但SLC與MLC價(jià)差快要五倍。因此宜鼎提出以iSLC存儲(chǔ)器解決方案來(lái)取代。

　　iSLC 與既有SLC、MLC存儲(chǔ)器的差異，在于iSLC運(yùn)用既有的低本的MLC存儲(chǔ)器制程技術(shù)，在每一個(gè)細(xì)胞電路單元，使用SLC讀寫(xiě)技術(shù)（只儲(chǔ)存1個(gè)位元的電荷值），Endurance因而提升到30，000次P/E Cycles，介于SLC的60，000次與MLC的3，000次之間，成本雖然比MLC高，卻比SLC便宜一半。可應(yīng)用在像是IPC/Kiosk /POS系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、伺服器主機(jī)板以及薄型終端機(jī)等。

　　他列出一張以相同2xnm制程的MLC與iSLC長(zhǎng)期耐用度的測(cè)試圖表：MLC 在連續(xù)寫(xiě)20，000次后，產(chǎn)生錯(cuò)誤位元數(shù)超過(guò)30；iSLC則是僅有6個(gè)，即便連續(xù)抹寫(xiě)超過(guò)100，000次，產(chǎn)生錯(cuò)誤位元數(shù)不超過(guò)10個(gè)，耐用度與品質(zhì)媲美標(biāo)準(zhǔn)SLC制程的SLC存儲(chǔ)器。以32G容量SSD測(cè)試，每天寫(xiě)滿32GB資料10次，MLC只能維持0.8年，舊制程（3xnm） SLC可以達(dá)到27.4年，新制程（2xnm） SLC可達(dá)16.4年，而2xnm制程的iSLC可達(dá)到7.6年。

　　宜鼎國(guó)際以iSLC快閃存儲(chǔ)器技術(shù)設(shè)計(jì)一系列產(chǎn)品，全為SATAⅡ介面設(shè)計(jì)：

　　型號(hào)2.5” SSD 2IE採(cǎi)8通道設(shè)計(jì)，容量32GB~256GB，循序讀寫(xiě)速度為230、200MB/s；SATADOM-QVL 2IE以及SATADOM-QV 2IE則為4通道設(shè)計(jì)，容量8 ~ 64GB，循序讀寫(xiě)速度為130、120MB/s；CFAST 2IE存儲(chǔ)器一樣為4通道設(shè)計(jì)，容量8 ~ 64GB，循序讀寫(xiě)速度為130、120MB/s。另外有mSATA 2IE的mSATA模組，Halfslim尺寸的SATA Slim 2IE，以及SATADOM QH 2IE模組，皆為SATAⅡ介面四通道設(shè)計(jì)，容量8 ~ 64GB，循序讀寫(xiě)速度為130、120MB/s

　　嵌入式應(yīng)用的SATAIII解決方案

　　吳錫熙接著介紹針對(duì)嵌入式工控應(yīng)用的SATAIII產(chǎn)品解決方案。由宜鼎研發(fā)的Innodisk ID167控制芯片，采四通道8CE設(shè)計(jì)，ECC資料修正能力為40bit/1KB；搭配64Mx16bit的DDRⅢ存儲(chǔ)器做為讀寫(xiě)緩沖區(qū)，同時(shí)在SATAⅢ的Slumber、DEVSEL模式下僅有33 mW、5mW的功耗。採(cǎi)ID167設(shè)計(jì)的SSD與mSATA模組，將于2013年第一季開(kāi)始送樣。

　　Innodisk ID167搭配選用24/25nm制程的同步型（Sync）MLC Flash存儲(chǔ)器顆粒，以IO Meter做效能實(shí)測(cè)，64GB（4CH）版本，其循序讀取╱寫(xiě)入效能達(dá)480MB/s、270MB/s，持續(xù)性讀取╱寫(xiě)入IOPS為80K、 1K；128GB（4CH）版本的循序讀取╱寫(xiě)入效能 520MB/s、350MB/s，持續(xù)性讀取╱寫(xiě)入IOPS為80K、2K；256GB（4CH）循序讀取╱寫(xiě)入效能 550MB/s、400MB/s，持續(xù)性讀取╱寫(xiě)入IOPS為80K、3K，表現(xiàn)算是相當(dāng)出色。

　　跟工控應(yīng)用為主流的128GB SLC SSD相比，CystalDiskMark v3.0實(shí)測(cè)結(jié)果，256GB MLC SATAIII SSD的循序讀取、寫(xiě)入速度為519、344MB/s，而純SATAⅡ的128GB SLC SSD，循序讀取、寫(xiě)入速度為253、190MB/s。在兩者成本相近情況下，256GB MLC SATAIII SSD比128GB SLC SATAⅡ SSD容量倍增、效能更快。

　　宜鼎也提供有SSD單芯片模組，由Innodisk ID167控制芯片加上Flash硅晶圓封裝做COB封裝而成，32GB（4CH x 1CE）版本，其循序讀取、寫(xiě)入速度為480、140MB/s。跟SATAII SLC的32GB SATADOM做CystalDiskMark v3.0效能實(shí)測(cè)，SATA III循序讀取、寫(xiě)入速度為482、271MB/s；SATA II循序讀取、寫(xiě)入速度為252、235MB/s。