存儲背后的大腦：NAND 閃存控制器實際上是做什么的？

存儲背后的大腦：NAND 閃存控制器實際上是做什么的？
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圍繞在基于 NAND 閃存的存儲系統的討論變得很混亂。通常，當人們討論存儲時，只會談論 NAND 閃存，而忽略了控制器這一獨立但同樣重要的組件。但是為什么需要控制器呢？簡而言之，沒有它什么都行不通。
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NAND 閃存控制器，或簡稱“控制器”，專為不同的接口（如 PCIe、eMMC、SD、SATA 和 USB）而設計，具有不同的質量和不同的用例。它們的共同點是管理 NAND 閃存上的數據。這種存儲技術在過去十年里變得越來越流行，如果沒有它，就無法想像我們今天的世界會是什么樣子。
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NAND 閃存技術向 3D 結構的穩步發展，在復雜的控制器和固件的幫助下，成功取代HDD，成為最廣泛使用的大容量存儲介質。同時，為執行諸如糾錯、映射、垃圾收集和數據刷新等任務，控制器面臨的挑戰也越來越大。那么，一個控制器及其固件相對于另一個有什么優勢，又有什么區別呢？
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控制器及其基本功能
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控制器是任何 NAND 閃存存儲系統背后的大腦。它確保從主機接收到的數據被發送到閃存并可以在以后檢索。它將主機系統的讀/寫/狀態命令轉換并修改為閃存組件的各種讀/寫/狀態命令。它還將主機的邏輯塊地址 (LBA) 或由文件系統管理的扇區地址轉換為閃存上的地址，這些地址被組織成塊和頁面。該控制器確保雙方的兼容性并處理任何固有的閃存缺陷。
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為什么不使用小程序將數據寫入閃存呢？肯定不會那么難的！
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NAND閃存本質上并不可靠。這是因為半導體（其中 NAND 閃存是其中一種）受到使用過程中變熱的顯著壓力。此外，電子在矽內部遷移，隨著時間的推移破壞內部結構。由于熱會使得電子移動，所有老化過程都隨著熱的增加而呈指數加速。半導體內的幾何形狀或單元結構越小，器件就越容易受到這些影響。今天的半導體結構比以往任何時候都小，需要大量的開發來充分解決這些影響。
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同時，不同的應用領域有不同的要求。用于消費產品的半導體，每天6 小時，每周 5 天，主要在室溫下工作 5 年的設計，與在室外環境中 24/7 工作超過 10 年的工業產品的設計方式不同。同時，每個區域需要存儲的數據量也在不斷增加。閃存開發人員對此的回答要進入第三維度。
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較新總是較佳！我們去買 3D 閃光燈吧，它也較便宜，不是嗎？
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基于NAND閃存的設備具有功耗低、速度快、可靠性高等優點。矽芯片的成本與面積成比例，并且很大程度上與上面的內容無關。因此，NAND閃存每字節的成本取決于在任何給定尺寸的芯片上可以存儲多少位。在這方面，有幾種技術已被用于提高 NAND 閃存的存儲密度。
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第一種技術是減小每個單元的大小。然而，這種尺寸的減小達到了它的邏輯極限。它還導致了一些不良副作用，例如更大的泄漏電流和更高的錯誤率。。
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另一種技術是在每個單元中存儲更多位?，F代閃存不再是只能存儲一位數據的單級單元 (SLC)，而是每個單元可以存儲兩個 (MLC)、三個 (TLC) 或四個 (QLC) 位，并且這種發展仍在繼續。這意味著需要精確的編程和測量。雖然這項技術增加了存儲密度，但考慮到較低的性能、較短的壽命和較高的錯誤率，因此它也只是一種折衷辦法。
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3D NAND 閃存的主要優勢是降低了每字節的成本。這是因為芯片的同一區域可以容納更多位。 3D NAND 芯片中的存儲單元比 2D 設備中的存儲單元更緊密，它們分散在表面的外側?，F代閃存不是在芯片表面放置存儲單元陣列，而是創建多層存儲單元，以在矽片內創建完整的三維結構。這允許在同一區域內獲得更大的存儲容量，同樣重要的是，與數據的連接更短，這反過來又允許更快的數據傳輸。
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雖然 3D NAND 閃存在存儲容量和每字節成本方面可能是正確的選擇，但 3D NAND 閃存的有效使用在很大程度上取決于閃存控制器?？刂破髦行枰獜碗s的機制來有效地管理大內存容量，最大限度地減少單元編程的影響，并確保高聳的單元結構內的最大壽命和可靠性。
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那么，一個好的控制器有什么特點呢？
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控制器的功能和特性范圍存在許多差異?；旧峡梢詫⒖刂破鞣譃閮深悾夯?DRAM 的控制器和無 DRAM 控制器。
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無 DRAM 控制器非常適合用于需要絕對數據可靠性的工業環境或應用（醫療技術設備或移動式的無線電臺）。帶有 DRAM 的控制器可以實現更高的性能，但是，在可靠性方面，無 DRAM 控制器是更好的選擇，因為它們可以保證將數據傳輸到 NAND 閃存上。在突然斷電的情況下，一旦不再供電，由基于 DRAM 的控制器處理的數據將丟失通過 DRAM 緩存的數據。此外，少一個組件也就少了一個成本、考慮和潛在的復雜性。
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電池會隨著時間的推移而老化并失去其充電狀態； 單元格的值“翻轉”并發生所謂的位翻轉?？刂破骺梢?a target="_blank">檢測這些不正確的位并在糾錯的幫助下對其進行彌補。然而，如果這些位錯誤累積，控制器必須采取對策。大多數閃存控制器都包含一種刷新算法，該算法可以檢測數據何時變舊并因此變得不穩定，例如，通過時間戳或記錄位錯誤統計信息。較便宜的控制器僅在讀取數據時檢測和檢查數據，即僅當主機請求讀取時。更復雜的控制器將所有數據的驅動器掃描安排為另一個后臺維護操作。
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隨著時間的推移，讀取頁面中的塊也會對相鄰頁面的物理數據質量產生負面影響。為了解決這個問題，控制器具有讀取干擾管理，可監控閃存中的讀取并根據需要更新周圍數據。
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自我監控、分析和報告技術 (SMART) 提供有關 NAND 閃存的運用狀況和壽命的信息。它允許用戶根據各種屬性監控閃存設備的壽命。例如，可以對備用塊、擦除操作、讀取總數或 ECC 錯誤總數進行計數，如果可以從閃存中檢索相應的數據，則可以準確估計壽命。此功能是 ATA 接口的標準功能。但是，在為 Hyperstone 控制器所設計的其他高要求的應用中，此功能也適用于其他接口，例如 USB 或 SD 和相應的 dem。借助對特定用例的了解，基于 SMART 數據，也可以相應地調整設計。根據要求，控制器和固件可以在成本、性能或可靠性方面進行優化。
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這些高端功能是否也適用于 SD 卡或 USB 驅動器？
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是的，事實上，對于這些被設計成便宜的產品，有一個平行的宇宙，一個由控制器、固件、制造和存儲供應商組成的生態系統，其重點是可靠性和長期可用性。
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Hyperstone 的新 SD 控制器 S9 采用交鑰匙固件設計，可滿足最苛刻應用的需求。為了延長使用壽命和提高數據完整性，控制器包括 FlashXE? ECC 和 hyReliability? 功能。 hyMap? Flash 轉換層確保只有最小的寫入放大和最高的耐用性。結果：高效使用 NAND 閃存并降低故障率。功能范圍由 hySMART? 監控工具補充?？梢允褂脩贸绦蚓幊探涌?(API) 在 S9S 版本的 Hyperstone 控制器中實現的附加安全功能。
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在存儲系統和控制器方面，無論是接口選項還是質量，都有很多選擇。為了實現一個兼顧性能和可靠性以及成本和收益的設計，需要大量的洞察力和經驗。 Hyperstone 不僅可以從設計和咨詢的角度提供幫助，還可以提供一系列控制器和完整的解決方案，例如針對特殊應用進行固件定制的 μSD 卡。如果數據存儲對您的應用程序至關重要，或者故障會導致代價高昂的停機時間，那么謹慎選擇控制器和存儲技術是關鍵。
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