Technológia és tudás - SSD chipen
Kombinálja a funkcióblokkokat monolitikusan egy IC házban
Kombinálja a funkcióblokkokat monolitikusan egy IC házban
Gyártás vagy vásárlás? Ha flash memóriákat használ a rendszerben, sok tényező befolyásolja ezt a döntést. Ha a teljesítmény hármasa - a hozzáférési sebesség, az adatok integritása és a hosszú távú viselkedés - helyes, akkor a választás egy chipen található lemez. Ez a cikk elmagyarázza, miért ez a legjobb megközelítés hosszú távon.
Szerző: Rudolf Sosnowsky, a Hy-Line technológiai vezetője
Aki nyitott már USB-háttértárat, azonosította a benne lévő egyes alkatrészeket: a legnagyobb chipet vagy a legnagyobb területet elfoglaló chipek mellett ott van az USB-vel és flash interfésszel rendelkező vezérlő chip, valamint a tápegység. Minőségi adathordozókban, például SATA vagy PCIe interfésszel ellátott SSD-ben gyakran van egy további RAM, amely felgyorsítja az átvitelt, különösen akkor, ha adatokat ír a flash memóriára.
Az egyetlen chip megoldás előnyei
Ez a konfiguráció rosszul alkalmazható zord környezetben. A sokk és a rezgések megerõsítik a mechanikát és az érintkezõket, az ipari léptékû hõmérséklet-változások pedig a forrasztott kötéseket. Ezek a problémás területek elkerülhetők egy egy chipes megoldással, amely az összes alkatrészt egy IC házban egyesíti és hermetikusan lezárja. A BGA ház az áramköri lap többi alkatrészével együtt forrasztható a szokásos módon. Az alábbiakban az SSD kifejezés minden olyan adathordozóra vonatkozni fog, amelyben a flash chipek vezérlőn keresztül csatlakoznak egy gazda rendszerhez, az interfésztől függetlenül.
Flash technológiák
A villanástechnika két szigetelő réteg közé szorult elektromos töltésen alapul. A memóriába történő írás és törlés során ezek a rétegek a megnövekedett feszültség miatt rövid ideig vezetőképessé válnak, így a töltés behatolhat rájuk. Ez megerõsíti a szigetelõ réteget; a szigetelési ellenállás idővel csökken, és a sejt elöregszik. A gyártók az adatlapokban meghatározzák a P/E ciklusokat, és a cella programozását és törlését (törlését) jelentik. Egyetlen cellát nem lehet törölni, egyszerre csak egy teljes blokkot, tehát egyetlen bit megváltoztatása P/E ciklust jelent egy teljes blokk számára.
Kiolvasáskor a töltés szintjét értékelik a digitális érték meghatározása érdekében. Az egyszintű cellával (SLC) egy komparátor eldönti, hogy a visszaolvasott feszültség értéke kisebb vagy nagyobb, mint egy meghatározott küszöb, majd "0" vagy "1" értéket ad vissza. A (kissé sajnálatos nevű) többszintű cellával (MLC) a fokozatosság finomabb, így négy különböző feszültségszintet két bit állapotaként értelmezünk (00, 01, 10, 11). A fejlett félvezető technológiában a szigetelés és ezáltal a töltésmegtartás tovább javul, így a Triple Level Cells (TLC) nyolc különböző feszültségértéket tart, amelyeket cellánként három bitként értékelünk. A Quad Level Cell (QLC) technológiával elérte az ideiglenes csúcspontot.
A kisebb struktúrákon keresztül történő nagyobb integráció esetén a bitenkénti költségek csökkennek, de a memória tartóssága (állóképessége) és átviteli sebessége (teljesítménye) csökken. Mivel a NAND gyártói követik a nagyobb kapacitás iránti igényt, az SLC memóriák alig állnak rendelkezésre mérsékelt áron. Kompromisszum a kapacitás, az írási ciklusok száma és a költségek között az MLC cella működése az úgynevezett „SLC módban”, amelyet „pszeudo-SLC” néven is ismerünk. Az MLC memória cella csak kettővel van megírva a lehetséges négy érték helyett. A használható kapacitás elvész, de ez elősegíti a megbízhatóságot és a hosszú élettartamot. Ez az eljárás szoros együttműködést igényel a vezérlő és a NAND gyártója között, mivel itt fontos a vakumodul belső szerkezete.
A 2. ábra bemutatja, hogy az MLC memória mely állapotait használják az SLC mód feltérképezéséhez. A bináris állapotok nem szekvenciális szekvenciája a nagyobb Hamming-távolság miatt megnövekedett interferenciaimmunitásnak köszönhető. Az írási ciklusok száma tízszeresére nő az MLC-műveletek költségének nagyjából kétszeresével.
Flash vezérlő
A gyakorlatban a flash modulok nincsenek közvetlenül csatlakoztatva egy gazdagép CPU-hoz. A gazdagép és a memória között egy vezérlő van összekapcsolva, amely szabványos interfészt kínál a gazdagép oldalához, és a memóriát speciális firmware segítségével vezérli. SSD esetén a vezérlő számos funkciót lát el, hogy a tároló alrendszer hosszú élettartamot és nagy sebességet biztosítson maximális megbízhatóság mellett. Ez magában foglalja a kopásszintet, amellyel az írások az egész memóriában eloszlanak a rendszer élettartamának növelése érdekében, valamint a hibás blokkok kezelését. Egy másik funkció a gyorsítótár ellenőrzése és kezelése a hozzáférési sebesség növelése érdekében, különösen írás közben. Gyors rendszerekben ez a gyorsítótár több szinten jön létre (lásd a 3. ábrát).
Az egyetlen házba integrálás lehetővé teszi a vezérlő firmware-jének optimalizálását a memória tulajdonságainak megfelelően. A hardver teljesítménye - hozzáférési sebesség, adattárolás és állóképesség - finomhangolásra kerül. A TLC memóriát egy költséghatékony megoldáshoz használják. A TLC memória egyes részeit "SLC módban" vezérlik, egyrészt a programmemória adatbiztonságának növelése érdekében, másrészt a lassabb TLC memória gyorsítótáraként szolgálnak. Ezenkívül a kompakt kialakítás biztosítja a jó hőcsatlakozást és az érzéketlenséget a környezeti hatásokkal szemben, mint például a sokk és a rezgés.
További előnyei azok a termékek, amelyek különféle memóriaméretekben kaphatók, RAM-gyorsítótárral vagy anélkül, és különböző hőmérséklet-tartományokban, ugyanazzal a házzal. Egy m.2 plug-in kártya (lásd 1. ábra), amely egyszerűen behelyezhető, jól alkalmas az SSD chipen történő kiértékelésére. A kompakt kialakításnak köszönhetően ez a megoldás különösen alkalmas hordozható mérőeszközök és adatrögzítők számára, laboratóriumi és orvostechnikai eszközökhöz, valamint a kis tömeg miatt minden olyan rezgésnek és ütésnek kitett szerelvényhez. Mivel a memória rá van forrasztva és nincs csatlakoztatva, az adathordozó megváltoztatásával biztonságos a manipuláció ellen.
A tipikus alkalmazások követelményei
kapacitások
A Flash-gyártók fokozottabban integrált technológiákra való áttéréssel növelik chipjeik kapacitását. A valódi SLC chipek már alig kaphatók, a gyártás középpontjában a TLC áll. Az alkalmazások továbbra is megkövetelik az SLC chipek tulajdonságait, például hosszú adatmegőrzést, sok írási ciklust és megbízhatóságot. A TLC memóriákat ezért alacsonyabb "üzemmódban" működtetik, ezáltal a kapacitás csökken, de a lehetséges írási ciklusok száma nő. Az alábbi táblázat bemutatja, hogy mely kapacitások érhetők el különböző integrációs sűrűségű chipekkel.
A „3D NAND” technológia több memóriachipet (meghal) helyez el egymás tetején a házban, és így magas csomagolási jogot ér el. Az 5. ábra azt a nettó kapacitást mutatja, amelyet az SSD el tud érni egy chipen, a memória konfigurációjától és annak működési módjától függően.
kilátások
A 6. ábra a különböző NAND flash technológiák számhoz igazított eloszlását mutatja. Míg az alacsony integrációjú NAND vakuk, mint például az SLC és az MLC, kínálata már meredeken csökkent, az új QLC technológia megjelenik a láthatáron. Az integrációs sűrűség a gigabites chipenként növekszik, és a bitenkénti ár csökken, így a chipenkénti költség nagyjából ugyanaz marad. A TLC technológia új gyártósorok üzembe helyezésével felgyorsult és átveszi a piac nagy részét. A grafikonban a 3D kifejezés több szerszám függőleges elrendezését jelenti
1. alkalmazási példa:
Digitális videofelvevő rendszer
Különösen a haszongépjárműveknél egyre inkább kamerákat alkalmaznak a munkaterület megfigyelésére. Támogatják a sofőrt/kezelőt olyan területek ábrázolásával, amelyeket nem lát a helyzetéből, például tolatáskor, közvetlenül a kotró lapátján vagy a szemetes kannák nyílásán. A kamera jele dokumentáció céljából közvetlenül egy digitális videorögzítőbe vezethető. Az adathordozónak állandó minimális adatátviteli sebességet kell lehetővé tennie, hogy ne veszítsen el képkockákat, és magas számú írási ciklust kínáljon, amelyek a lehető legnagyobb mértékben meghaladják a jármű élettartamát. A hagyományos SD-kártyák csak egy-két évig tartanak.
Tipikus alkalmazási területei az építőipari és mezőgazdasági gépek, ipari teherautók, szállítójárművek és vasúti járművek. A kamionoknál a vakfolt-észlelésnél, amikor jobbra kanyarodnak, rögzítéssel rendelkező kamerákra is szükség van, hogy balesetek esetén megőrizzék a bizonyítékokat.
2. alkalmazási példa:
Automatikus gyógyszeradagolás a gyógyszertárban
Különösen a nagy gyógyszertárakban, például a kórházakban használják a gyógyszereket nagy mennyiségben. Hogyan csökkentheti a hibaarányt az adagolás során, mindig ismerje a készletet és ne tévessze szem elől a lejárati dátumokat? Ebben egy automatizált rendszer segít. A kamerák kulcsfontosságú szerepet játszanak itt, és minden tárolt vagy visszakeresett gyógyszercsomagot átkutatnak és azonosítanak. A számítógép nyilvántartást vezet az összes tranzakcióról, és bármikor információt nyújthat a készletről és megtervezheti a megrendeléseket. A több oldalról rögzített nagy felbontású képeket egy memóriában tárolják, OCR vagy kód segítségével hozzárendelik a gyógyszer adatrekordjához és lefoglalják. Az ehhez használt SSD-nek nagy adatátviteli sebességgel kell rendelkeznie, mivel a képek gyors sorrendben érkeznek és nagyszámú írási ciklust tesznek lehetővé.
Következtetés
A flash alapú adathordozók integrációjának mértéke a közeljövőben tovább növekszik. A flash chipenkénti kapacitás a kisebb félvezető szerkezetek és a QLC technológia miatt tovább növekszik, míg a lehetséges P/E ciklusok száma ugyanezen okból csökken. A megbízható rendszerhez ennélfogva annál is fontosabb egy olyan vezérlő használata, amely optimálisan vezérli a memóriát, és biztosítja a kopásszint-kiegyenlítés, a hibajavítás és a stabil működés funkcióit, folyamatosan magas adatsebességgel, még kedvezőtlen üzemi körülmények között is.
A chipen lévő SSD egyesíti az állomásvezérlő, a flash vezérlő, a flash chipek és a vezérlő gyártója által a vaku gyártóval szoros együttműködésben létrehozott firmware fontos funkcióblokkjait egyetlen monolit módon, egyetlen IC házban, és ezzel a legjobb keveréket kínálja Adatintegritás és költség/teljesítmény arány az összes beágyazott alkalmazás esetében.
szójegyzék
1. A memóriacellák függőleges elrendezése a chipterület mentése érdekében, azonos memóriacellánként
2. Több vaku halmozása a csomagban egymásra, hogy növelje a chip-csomag kapacitását
Félvezető lemez, félvezető alkatrészekből álló memória
Program/törlés ciklus. Valahányszor egy új flash cellára írják, törölni kell az egész blokkot, amelyben található.
Egyszintű cella; egy memória cella két töltési állapotot tartalmaz = egy bit. Lásd még: MLC, TLC és QLC
Az MLC, TLC vagy QLC flash memória úgy működik, mintha cellánként csak egy bitet tudna tárolni. Előnyök: nagyobb P/E, nagyobb megbízhatóság; Hátrányok: kevesebb tárhely, magasabb költségek
Többszintű cella; egy memória cella négy töltési állapotot = két bitet tartalmaz. Lásd még: SLC, TLC és QLC
Háromszintű cella; egy memória cella nyolc töltési állapotot = három bitet tartalmaz. Lásd még: SLC, MLC és QLC
Négyszintű cella; egy memóriacella 16 töltési állapotot = négy bitet tartalmaz. Lásd még: SLC, MLC és TLC