基于FPGA的19nm闪存PCIe SSD的设计与实现

　　19nm闪存PCIe SSD

　　以 NAND闪存为基础的固态磁盘（SSD）技术与传统的机械驱动器存储系统相比，吞吐量更高，功耗更低。为此，SSD使用量在过去十年迅速增加，从手持设备到笔记本、台式机，现在又进军企业级存储设备市场。企业级存储行业对基于串行高级技术附件（SATA）标准的SSD的采用进一步加速了这一快速扩展势头。

　　但是，在SSD制造商期望通过使用19nm闪存将下一代系统的性能和密度推上新高度的时候，SATA并没有跟上。即便是最新的版本（SATA 3.0），6Gbps物理接口也难以满足SSD NAND闪存阵列的最高吞吐量，因此存在性能利用不足的问题。

　　为了突破接口瓶颈，基于PCI Express的SSD正在给市场带来重大影响。PCIe是业界标准本地总线，性能和扩展能力均优于SATA。它采用多信道高速串行链路，可支持1至16 个信道，每个信道的运行速率高达8Gbps（Gen1为2.5Gbps，Gen2为5Gbps，Gen3为8Gbps）。SSD的PCIe接口可支持数 GB的吞吐量，并可为NAND闪存技术的发展提供更富足的带宽余量。

　　然而，用19nm闪存开发基于PCIe的SSD系统面临着一系列的挑战。与SATA相比，PCIe接口要求更多的高速串行链路和更复杂的互联。对吞吐量的需求则要求PCIe直接存储器存取（DMA）以千兆字节带宽运行。另外，采用19nm工艺，闪存的可靠性或者更具体地说“磨损（wear）”（NAND在遇到错误之前能读取或者写入的次数）指标也是一个日益严峻的问题。采用19nm工艺，制造商必须以比以往更快的速度完成磨损平衡（wear leveling）和纠错。

　　赛灵思（Xilinx）公司Kintex-7 FPGA以不到前一代FPGA一半的成本为FPGA设立了新的高性能基准。Kintex-7系列是赛灵思采用台积电（TSMC）高性能低功耗（HPL）28nm工艺技术生产的四大产品线之一，旨在实现最大能效。与前代产品相比，其性价比提高了两倍，而功耗降低了50%。Kintex-7 FPGA采用高密度逻辑、高性能收发器、存储器、DSP，以及灵活混合信号技术，所有这一切让系统级性能和集成度迈上新高。这些功能能够让设计以批量价格不断实现创新和差异化。因此，赛灵思Kintex-7系列FPGA是19nm闪存PCIe SSD控制器的理想选择。

　　图1所示的是北京忆恒创源科技有限公司（Memblaze）的SSD控制器架构，它由三个以高速AXI4总线相连的子系统组成。PCIe SG-DMA子系统包含Kintex FPGA硬核，负责在主机和SSD数据缓存之间分散和采集数据（SG代表分散（Scatter）和采集（Gather））。CPU子系统负责管理外设和执行SSD存取命令，而存储子系统则负责运用多通道NAND控制器、纠错码（ECC）模块和磨损平衡模块处理SSD扇区数据。这三个子系统共享带ECC功能的2GB DDR3 SDRAM。采用赛灵思存储器接口生成器（MIG）工具可以很容易地生成ECC DDR3 SDRAM控制器。

　　

　　图1：针对19nm NAND闪存PCIe SSD的Kintex-7SoC解决方案由三个子系统组成：CPU、存储和PCIe SG-DMA

　　该设计中使用7系列PCIe硬核实现物理至TLP层，让设计能够以最低的时延发挥高性能PCIe端点的功能。支持ARM AXI4互联的新型嵌入式MicroBlaze核可以彻底消除片上总线的瓶颈。DDR硬核为磁盘高速缓存提供了51.2Gbps ECC解决方案。同时，使用低功耗逻辑资源能够方便地运行高性能磨损平衡和智能ECC算法。另外，丰富的高性能I/O资源为19nm NAND闪存阵列的互联提供了方便。