利用3D NAND克服工业数据存储问题

随着对新特性和功能需求的增加，大容量存储在嵌入式工业应用中的使用持续增长。虽然更复杂的GUI和应用已经通过增加NAND芯片容量而成为可能;更快的接口和各种托管NAND解决方案的可用性;寻找能够应对极端环境需求的足够固态存储解决方案的挑战仍然存在。幸运的是，NAND存储介质和控制器设计的发展意味着现在有更可靠和更具成本效益的选择。

满足极端环境的需求

嵌入式设计人员对大容量存储功能的愿望清单的顶部通常是高可靠性。此外，还需要高机械抗冲击和振动能力，这通常排除了使用可拆卸存储器而支持焊接球栅阵列（BGA）器件的可能性。在扩展温度范围内的保证操作也可以添加到列表中。此外，理想的解决方案应长期可用，以防止昂贵且耗时的存储设备重新认证。

实际使用案例 — 找到合适的存储解决方案

在实际用例中，SSD中数据完整性和电源故障数据保护的好处至关重要，那就是列车中的制动管理系统。虽然运输系统设计人员非常小心地确保稳定的电源，但掉电并不是完全可以预防的。如果没有内置的固有电源故障保护，则存在明显的数据损坏风险。如果受影响的文件是操作系统或应用程序软件的一部分，这可能意味着制动管理系统严重故障。典型的制动管理系统监控关键参数，如总使用小时数、制动效率和温度，以告知关键维护计划。在记录此数据期间发生故障可能意味着错过或不必要的停机时间以及增加的维护成本。

为这种类型的嵌入式应用选择合适的 SSD 至关重要。在许多情况下，单级单元（SLC）NAND存储器可能是理想的技术，既提供强大的数据保留功能，又提供高编程和擦除（P /E）周期。但是，这种技术的主要问题是缺乏高容量选项和更高的内存成本。如果我们看一下低成本的技术，如平面（2D）多级单元（MLC）NAND，它每个单元包含两个位，我们立即得到更经济，更高容量的选择。在大多数情况下，可用的耐久性为3，000至10，000 P / E循环，这对于许多应用来说已经足够了。

完美的解决方案？

嗯，不完全是。

平面 MLC NAND 将其两位数据存储在一个存储单元中。这两个位位于两个不同的配对页面中，这些页面在单独的阶段中编程。这意味着，如果在写入一个页面时电源出现故障，则配对页面中的数据也可能已损坏。主机文件系统可能能够管理电源故障时正在写入的页面，但在稍后某个时间尝试读取该数据之前，它将不知道损坏的配对页面。配对页面的内容将包含不可校正 （UNC） 数据，其中每个单元格的费用状态不确定，无法解析为 0 或 1。

防止这种情况的传统解决方案涉及将驱动器的电源保留足够的时间，以允许页面程序操作完成。这可以通过板载功率损耗保护电容来实现，以便为页面编程时间以及一些程序延迟提供足够的电荷。如果使用的驱动器具有 DRAM 缓存，则存储的能量需要显著增加，以防止缓存内容丢失。典型的断电保护（PLP）解决方案可能如图1中的通用示例所示。

图1：通用功率保持电路

新型 NAND 技术

内存架构的最新进展使一类新的基于3D NAND的固态存储解决方案成为可能，消除了配对页面问题。3D NAND使用垂直堆叠的存储单元层，可以提供与平面NAND闪存相同的耐用性，同时提高成本效益和更快的性能。借助美光的工业 3D MLC NAND，现在可以在一次通过中实现编程，同时对两个页面进行编程。图2中的单通道编程表示显示了MLC NAND中电池的典型阈值电压（Vt）分布，以及如何将充电状态解码为这些电池的位值。

图 2：单通道编程的表示形式

上下页可由 NAND 闪存控制器在一次操作中进行编程，因此电池电荷同时移动到两个页所需的电平，从而有效地消除了在电源中断期间配对页中数据损坏的可能性。控制器负责确保块中的页面按顺序编程，并且下部和上层页面地址位于共享字行（WL）上。

美光的3D NAND + 绿联的NAN驱动器解决方案

具有智能控制器，如绿联开发的用于其小尺寸eMMC NANDrive BGA固态硬盘的控制器，以及3D MLC NAND的单通道编程功能。制动管理系统设计人员现在可以确保存储的数据不受突然断电的影响。

控制器只需一步即可对所有状态进行编程，而不会干扰相邻单元，从而降低驱动器上已存在数据（称为“静态数据”）的风险。此外，该控制器通过使用美光先进的 3D NAND 功能，有助于最大限度地减少传输或传输中的数据（在临时 DRAM 或 SRAM 缓存缓冲区中）的损坏。

如果电源在写入操作中途发生故障，则主机通常可以使用日记功能或其他事务故障安全协议来确定最后写入的文件未完成，因此应忽略或替换该文件中的数据。如果应用程序使用小写入，则最好是 NAND 页的大小。然后，复杂的控制器固件将使用利用3D NAND自动读取校准的高级算法来尝试恢复最后一页，即使写入操作期间电源出现故障也是如此。

控制器自适应阈值电压调谐进一步增强了控制器恢复最后一页数据的能力。为了保留由于过多的P/E循环引起的介电泄漏而可能丢失的数据，控制器还可以定期刷新存储单元中的数据。

通过实现上述所有功能，绿联的工业eMMC 5.1固态硬盘和美光的3D MLC NAND已成功通过广泛的电源故障测试（数千次电源中断周期），而不会损坏制动管理系统中的数据。

审核编辑：郭婷