NAND闪存控制器有什么优势

围绕基于NAND闪存的存储系统的对话已经变得混乱。通常，当人们讨论存储时，他们只谈论NAND闪存，而忽略了单独的，但同样重要的组件，即控制器。但是为什么需要控制器呢？简单地说，没有它，一切都不起作用。

NAND 闪存控制器（简称“控制器”）专为不同的接口（如 PCIe、eMMC、标清、SATA 和 USB）而设计，具有不同的质量和不同的用例。它们的共同点是它们管理NAND闪存上的数据。在过去的十年中，这种存储技术变得越来越流行，如果没有它，就无法想象我们今天的世界。

在复杂的控制器和固件的帮助下，NAND闪存技术向3D结构发展的稳步发展，成功地取代了HDD成为使用最广泛的大容量存储介质。同时，为了执行纠错、映射、垃圾回收和数据刷新等任务，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控制器有什么优势，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） 或扇区地址（由文件系统管理）转换为闪存上的地址，这些地址被组织成块和页面。该控制器可确保两侧的兼容性，并处理任何固有的闪光缺陷。

为什么不使用一个小程序将数据写入闪存呢？当然，这不可能那么困难！

NAND 闪存本质上是不可靠的。这是因为半导体（其中NAND闪存是其中一种类型）在运行过程中产生的热量会受到显着的应力。此外，电子在硅内迁移，随着时间的推移破坏内部结构。由于热量会移动电子，因此随着热量的增加，所有老化过程都会呈指数级加速。半导体内的几何形状或电池结构越小，器件就越容易受到这些影响的影响。今天的半导体具有比以往更小的结构，需要大量的开发才能充分解决这些影响。

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将每天运行六小时，每周五天，主要在室温下运行五年，其设计将与在室外环境中全天候运行十多年的工业产品不同。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是进入第三维度。

越新越好！让我们去3D闪光灯，它也更便宜，不是吗？

基于NAND闪存的设备具有低功耗，高速和可靠性的优点。硅芯片的成本与面积成正比，并且在很大程度上与它上面的内容无关。因此，NAND闪存的每字节成本取决于在任何给定大小的芯片上可以存储多少位。在这方面，已经使用了几种技术来增加NAND闪存的存储密度。

第一种技术是减小每个细胞的大小。但是，这种大小的减小达到了其逻辑极限。它还导致了一些不良的副作用，例如较大的漏电流和较高的错误率。

另一种技术是在每个单元格中存储更多位。现代闪存不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。虽然此技术增加了存储密度，但在考虑较低的性能、较短的使用寿命和较高的错误率时，它也只是一种妥协。

3D NAND闪存的主要优点是降低了每字节的成本。这是因为在芯片的同一区域可以容纳更多的位。3D NAND芯片中的存储单元比2D设备中的存储单元更紧密，2D设备中的存储单元分布在表面的外部。现代闪存不是在芯片表面放置一系列存储单元，而是创建多层存储单元，以在硅内创建完整的三维结构。这允许在同一区域中具有更大的存储容量，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，并确保高架单元结构内的最大使用寿命和可靠性。

那么，一个好的控制器的特征是什么呢？

控制器的功能和特性范围有许多不同之处。您基本上可以将控制器分为两类：基于 DRAM 的控制器和无 DRAM 的控制器。

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。如果突然断电，通过基于DRAM的控制器处理的数据将在不再供电后立即丢失通过DRAM缓存的数据。此外，少一个组件也少了一个成本、考虑和潜在的并发症。

电池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”，并且会发生所谓的位翻转。控制器可以检测这些不正确的位，并借助纠错进行补偿。但是，如果这些位错误累积，控制器必须采取对策。大多数闪存控制器包括刷新算法，用于检测数据何时变旧并因此不稳定，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才检测和检查数据，即仅在主机请求读取时。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操作。

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功能，可监控闪存中的读取并根据需要更新周围的数据。

自我监控、分析和报告技术 （SMART） 提供有关 NAND 闪存的运行状况和使用寿命的信息。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、擦除操作、读取总数或 ECC 错误总数进行计数，如果可以从闪存中检索到相应的数据，则可以准确估计寿命。此功能是 ATA 接口的标准功能。但是，在设计用于 Hyperstone 控制器的其他要求苛刻的应用中，此功能也相应地用于其他接口，例如 USB 或 SD 和 dem。根据对特定用例的了解，基于SMART数据，设计也可以相应地进行调整。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，特别是对于这些产品，这些产品被设计得很便宜，有一个平行宇宙，一个由控制器，固件，制造和存储提供商组成的生态系统，其重点是可靠性和长期可用性。

超石的新型标清控制器 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高数据完整性，该控制器包括闪存 XE® ECC 和可靠性™功能。hyMap® 闪存转换层仅确保最小的写入放大和最高的耐用性。结果：有效利用 NAND 闪存，将故障降至最低。功能范围由hySMART™监控工具补充。其他安全功能，可以使用应用程序编程接口 （API） 在 S9S 版本的超石控制器中实现。

在存储系统和控制器方面，在接口选项和质量方面都有很多选择。为了实现一个考虑性能和可靠性以及成本和收益之间权衡的设计，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，还可以通过一系列控制器和完整的解决方案提供帮助，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，那么仔细选择控制器和存储技术是关键。

审核编辑：郭婷