Monday, December 18, 2017

SSD闪存颗粒的同步、异步和工作原理

SSD所用的固件与闪存种类都是对其性能有相当大影响的,那么对于同步闪存与异步闪存的区分。首先目前闪存制造厂主要分为三星与东芝联合的ToggleDDR阵营和英特尔与美光为首的ONFI阵营,他们各有各的接口,产品之间的规格也不相同, 主流的SandForce SF-2000系列主控和Marvell 88SS9174主控都提供了对ONFI和ToggleDDR标准闪存的支持,下面就来介绍一下这两个标准。

划分NAND等级的还有一个因素,那就是Synch同步还是Asynch异步,这两种的区别又在哪里呢,这还要谈到ONFI与Toggle标准之分。

ONFI(Open NAND Flash Interface)标准是由英特尔、镁光、海力士、台湾群联电子、SanDisk、索尼、飞索半导体为首宣布统一制定的连接NAND闪存和控制芯片的接口标准,与之对应的是东芝、三星阵营的Toggle NAND标准。

我们经常说闪存的同步与异步模式,其实是在ONFI 2.0标准中新加入的特性(ToggleDDR不存在同步闪存的情况,均为异步设计,但性能仍然强悍),ONFI 2.0标准在NAND中加入了同步时钟发生器,主控可以通过发送同步指令激活闪存上的同步时钟信号,使闪存工作在同步模式 ,此时闪存的数据传输速率会大幅度提升,异步模式相当于ONFI 1.0,闪存的带宽为50MB/s,而同步模式下闪存至少也符合ONFI 2.0,闪存带宽可达到133MB/s以上。3.0规范下,闪存带宽可达到400MB/s以上。

实际上同步与异步闪存都是同一生产线上下来的,颗粒品质的优劣才产生了这样的区别。所谓异步颗粒,我们可以判断它是在原厂检测中,无法通过所有最严格的测试,而在降低性能后(只允许使用异步,而不使用同步模式),其它质量测试都可通过的颗粒,所以原厂仍把它们作为合格的产品(标记为仅可跑异步模式)出售。有一点要注意的是的,Intel在2011年之后生产的闪存芯片都可以跑同步模式,未对性能做限制,虽然镁光也使用同样的闪存颗粒,但是会按照料号区分同步与异步。

开机时SSD是运行在异步模式的,只有当主控发送同步指令给闪存后,才激活闪存上的源同步时钟,然后针脚定义发生改变,激活DQS信号, 让其工作在同步模式,并将异步模式下的WE#信号变为CLK信号,RE#变为W/R信号,同步模式下DQS信号的上升沿与下级沿都能控制信号的传输,使传输速度翻倍。

NAND,包括前面的NOR闪存本质上都是Floating Gate MOSFET(浮栅极-金属氧化物半导体场效应管),也是利用通电与否代表计算机可识别的1、0状态。

加电瞬间会产生强大的电场(大于1000万 vt/cm),这么强的电场会破坏隧道氧化层的原子结合,脱离的电子就会上升到浮栅极上以形成电位变化,断电之后电子还会恢复正常位置,这样反复的断电-加压就形成了不同的电位信号。

加电的过程等同于HDD硬盘的数据写入操作,它被成为“Program(编程)”,断电的过程电位恢复,这相当于HDD硬盘的擦除数据,这里成为“Erase(擦除)”,SSD评测完整的一次P/E循环就是NAND的写入循环,从这里也可以看出SSD要想写入数据就需要恢复默认电位,也就是以“擦除”为前提,这个特性决定了SSD的数据写入方式,也会带来其他的一系列问题。

最直接的影响就是SSD寿命,因为P/E循环次数是有限的,浮栅极不像HDD的GMR(巨磁阻尼)效应那样是永久的,存在次数限制。

目前主流25nm工艺下,P/E循环次数在3000-5000次之间,测试的14款SSD评测中有9款SSD的标称写入次数都是3000次,只有Intel自家520、330、浦科特M3P以及OCZ Vertex 3 Max IOPS是5000次,最强的是超极速SSD,标称10万次写入寿命,因为它是SLC。

本文选自:http://digi.tech.qq.com/a/20120711/000153.htm

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