2013 Flash 在工控领域的新技术与应用
- DIGITIMES企画
-
次时代Flash存储器品质与耐用度趋势越来越往下，工控市场客户往往只敢选用单价高昂的SLC存储器，也使得工控应用上的SSD容量受到局限；Flash SSD/DOM业者导入十倍于MLC耐用品质等级的iSLC存储器技术，加上导入种种维护、监控SSD内部Flash在抹写均匀度(Wear Leveling)、品质与稳定性的关键技术，使得MLC可以导入轻量级工控应用，而iSLC存储器将成为工控应用的新宠…..
NAND Flash随着制程进步，线路宽度与间距越来越细小，连带影响到抹写次数(P/E Cycles)的缩减。以SLC存储器为例，从3x纳米制程(3xnm)时代的100,000次P/E Cycles，仅需4个ECC bit(错误实时修正位元)，到2x纳米制程时代的SLC，其P/E Cycles降到60,000次且需要ECC 24bit。
MLC Flash从早期5x纳米制程需要ECC 8bit、P/E cycles为10,000次，到3xnm MLC时P/E Cycles降到5,000次，ECC爆增到15bit；跨入2xnm MLC时P/E Cycles已降到3,000次，需要到ECC 24bit，2ynm MLC时，修正位元数更增加至ECC 40bit。
周边储存装置的传输速率也不断的提昇。2010年ONFI 2.0推进到133MB/s，eMMC v4.41传输速率为104MB/s；2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0规格，把Flash传输速率提昇到200MB/s，eMMC v4.5拉高到200MB/s；UFS 1.0传输速率为2.9Gbps，SATAⅡ规格到3Gbps(300MB/s)；2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s，UFS v2.0传输速率倍增为5.8Gbps，SATAⅢ则为6Gbps(600MB/s)；到2015年ONFI v4.x/Toggle v2.xx规格定义的传输速率增到800MB/s、1.6GB/s。
面对新时代Flash耐用度╱品质持续向下的种种挑战
吴锡熙指出，使用MLC存储器挑战，在于持续增加的错误位元数，2ynm制程已经超过40个，在-40〜85℃宽温环境下，其错误位元数还会增加；同时MLC在电源突然中断循环测试(Power Cycling)下容易数据遗失，数据寿命会随着P/E Cycles增加而缩短，以及16K分页设计的MLC在做区块回收(Garbage Collection)时会花费更多处理时间。
如果客户评估想导入MLC于轻量级工控应用，除了需要有好的平均抹写机制、内部监控工具之外，还要有其他辅助性的技术。
MLC会随着P/E cycles抹写次数的增加，错误位元会逐渐增加。依照宜鼎内部长期测试结果，以3xnm MLC为例，从1,000 P/E Cycles以内，平均只产生一个错误位元；经过20,000 P/E cycles后，错误位元数暴增了5倍。2xnm制程的MLC，在1,000 P/E cycles以下的平均错误位元数就已经是5，经过8,000次后增加到25；2ynm制程的MLC在1,000 P/E cycles时错误位元数3，8,000次时增加到34，到10,000次时增加到41个。
宜鼎提出Flash Correct-and-Refresh(FCR)技术，随时读取并监控错误位元发生率异常增加的MLC区块，修正后搬移到其它储存状况较好的区块后重新抹写更新，可以改善Flash的使用寿命。宜鼎也对16KB分页的MLC Flash，发展出更智能的区块回收(Garbage Collection)演算法，减少SSD做数据维护的延迟现象。
吴锡熙认为若要使用MLC存储器时，可采用动态平均抹写(Dynamic Wear-Leveling)技术，再搭配静态平均抹写(Static Wear-Leveling)，对于仅3,000次P/E Cycles的MLC来说尤其重要。像宜鼎(Innodisk)就提供一个iSMART工具程序，可以用点状分布图方式，呈现出该SSD某一个区块的写入次数，以及整体Wear-Leveling效果，同时也能针对温度与使用寿命做监控与预估，同时也能发挥监控效能以及预先警示功能。
而MLC在写入数据时若突然发生断电情况，万一此时韧体正在进行写入数据或区块回收作业时，特别容易造成被写入的记忆页与相邻记忆页的连带影响，甚至造成整个SSD数据遗失。因此好的SSD控制芯片需具备失效╱低电压侦测电路，藉由侦测输入电流发生压降时，能迅速的将该写完的记忆页完成后，储存必要的系统状态旗号恢复且重新开机加载OS。
以iSLC提供低成本、高品质的工控应用
在一般商温(0~70℃)的工控应用下，需要经常性的读写且要五年的品质保证，对于密集读写的重量级应用上，客户往往只选订SLC；但SLC与MLC价差快要五倍。因此宜鼎提出以iSLC存储器解决方案来取代。
iSLC与既有SLC、MLC存储器的差异，在于iSLC运用既有的低本的MLC存储器制程技术，在每一个细胞电路单元，使用SLC读写技术(只储存1个位元的电荷值)，Endurance因而提昇到30,000次P/E Cycles，介于SLC的60,000次与MLC的3,000次之间，成本虽然比MLC高，却比SLC便宜一半。可应用在像是IPC/Kiosk/POS系统、嵌入式系统、服务器主机板以及薄型终端机等。
他列出一张以相同2xnm制程的MLC与iSLC长期耐用度的测试图表：MLC在连续写20,000次后，产生错误位元数超过30；iSLC则是仅有6个，即便连续抹写超过100,000次，产生错误位元数不超过10个，耐用度与品质媲美标准SLC制程的SLC存储器。以32G容量SSD测试，每天写满32GB数据10次，MLC只能维持0.8年，旧制程(3xnm) SLC可以达到27.4年，新制程(2xnm) SLC可达16.4年，而2xnm制程的iSLC可达到7.6年。
宜鼎国际以iSLC快闪存储器技术设计一系列产品，全为SATAⅡ界面设计：
型号2.5” SSD 2IE采8通道设计，容量32GB~256GB，循序读写速度为230、200MB/s；SATADOM-QVL 2IE以及SATADOM-QV 2IE则为4通道设计，容量8 ~ 64GB，循序读写速度为130、120MB/s；CFAST 2IE记忆卡一样为4通道设计，容量8 ~ 64GB，循序读写速度为130、120MB/s。另外有mSATA 2IE的mSATA模块，Halfslim尺寸的SATA Slim 2IE，以及SATADOM QH 2IE模块，皆为SATAⅡ界面四通道设计，容量8 ~ 64GB，循序读写速度为130、120MB/s
嵌入式应用的SATAIII解决方案
吴锡熙接着介绍针对嵌入式工控应用的SATAIII产品解决方案。由宜鼎研发的
Innodisk ID167控制芯片，采四通道8CE设计，ECC数据修正能力为40bit/1KB；
搭配64Mx16bit的DDRⅢ存储器做为缓冲读写区，同时在SATAⅢ的Slumber、DEVSEL模式下仅有33 mW、5mW的功耗。采ID167设计的SSD与mSATA模块，将于2013年第一季开始送样。
Innodisk ID167搭配选用24/25nm制程的同步型(Sync)MLC Flash存储器颗粒，
以IO Meter做效能实测，64GB(4CH)版本，其循序读取╱写入效能达480MB/s、270MB/s，持续性读取╱写入IOPS为80K、1K；128GB(4CH)版本的循序读取╱写入效能 520MB/s、350MB/s，持续性读取╱写入IOPS为80K、2K；256GB
(4CH)循序读取╱写入效能 550MB/s、400MB/s，持续性读取╱写入IOPS为80K、3K，表现算是相当出色。
跟工控应用为主流的128GB SLC SSD相比，CystalDiskMark v3.0实测结果，256GB MLC SATAIII SSD的循序读取、写入速度为519、344MB/s，而纯SATAⅡ的128GB SLC SSD，循序读取、写入速度为253、190MB/s。在两者成本相近情况下，256GB MLC SATAIII SSD比128GB SLC SATAⅡ SSD容量倍增、效能更快
宜鼎也提供有SSD单芯片模块，由Innodisk ID167控制芯片加上Flash硅片封装做COB封装而成，32GB(4CH x 1CE)版本，其循序读取、写入速度为480、140MB/s。跟SATAII SLC的32GB SATADOM做CystalDiskMark v3.0效能实测，SATA III循序读取、写入速度为482、271MB/s；SATA II循序读取、写入速度为252、235MB/s。
（本文提供英译版本，请按此连结阅读英译版本内容）
