Tuesday, September 28, 2021

SSD閃存顆粒的同步、異步和工作原理

SSD所用的固件與閃存種類都是對其性能有相當大影響的,那麼對於同步閃存與異步閃存的區分。首先目前閃存製造廠主要分為三星與東芝聯合的ToggleDDR陣營和英特爾與美光為首的ONFI陣營,他們各有各的接口,產品之間的規格也不相同, 主流的SandForce SF-2000系列主控和Marvell 88SS9174主控都提供了對ONFI和ToggleDDR標準閃存的支持,下面就來介紹一下這兩個標準。

劃分NAND等級的還有一個因素,那就是Synch同步還是Asynch異步,這兩種的區別又在哪裡呢,這還要談到ONFI與Toggle標準之分。

ONFI(Open NAND Flash Interface)標準是由英特爾、鎂光、海力士、台灣群聯電子、SanDisk、索尼、飛索半導體為首宣布統一制定的連接NAND閃存和控制芯片的接口標準,與之對應的是東芝、三星陣營的Toggle NAND標準。

我們經常說閃存的同步與異步模式,其實是在ONFI 2.0標準中新加入的特性(ToggleDDR不存在同步閃存的情況,均為異步設計,但性能仍然強悍),ONFI 2.0標準在NAND中加入了同步時鐘發生器,主控可以通過發送同步指令激活閃存上的同步時鐘信號,使閃存工作在同步模式 ,此時閃存的數據傳輸速率會大幅度提升,異步模式相當於ONFI 1.0,閃存的帶寬為50MB/s,而同步模式下閃存至少也符合ONFI 2.0,閃存帶寬可達到133MB/s以上。3.0規範下,閃存帶寬可達到400MB/s以上。

實際上同步與異步閃存都是同一生產線上下來的,顆粒品質的優劣才產生了這樣的區別。所謂異步顆粒,我們可以判斷它是在原廠檢測中,無法通過所有最嚴格的測試,而在降低性能後(只允許使用異步,而不使用同步模式),其它質量測試都可通過的顆粒,所以原廠仍把它們作為合格的產品(標記為僅可跑異步模式)出售。有一點要注意的是的,Intel在2011年之後生產的閃存芯片都可以跑同步模式,未對性能做限制,雖然鎂光也使用同樣的閃存顆粒,但是會按照料號區分同步與異步。

開機時SSD是運行在異步模式的,只有當主控發送同步指令給閃存後,才激活閃存上的源同步時鐘,然後針腳定義發生改變,激活DQS信號, 讓其工作在同步模式,並將異步模式下的WE#信號變為CLK信號,RE#變為W/R信號,同步模式下DQS信號的上升沿與下級沿都能控制信號的傳輸,使傳輸速度翻倍。

NAND,包括前面的NOR閃存本質上都是Floating Gate MOSFET(浮柵極-金屬氧化物半導體場效應管),也是利用通電與否代表計算機可識別的1、0狀態。

加電瞬間會產生強大的電場(大於1000萬 vt/cm),這麼強的電場會破壞隧道氧化層的原子結合,脫離的電子就會上升到浮柵極上以形成電位變化,斷電之後電子還會恢復正常位置,這樣反覆的斷電-加壓就形成了不同的電位信號。

加電的過程等同於HDD硬盤的數據寫入操作,它被成為“Program(編程)”,斷電的過程電位恢復,這相當於HDD硬盤的擦除數據,這裡成為“Erase(擦除)”,SSD評測完整的一次P/E循環就是NAND的寫入循環,從這裡也可以看出SSD要想寫入數據就需要恢復默認電位,也就是以“擦除”為前提,這個特性決定了SSD的數據寫入方式,也會帶來其他的一系列問題。

最直接的影響就是SSD壽命,因為P/E循環次數是有限的,浮柵極不像HDD的GMR(巨磁阻尼)效應那樣是永久的,存在次數限制。

目前主流25nm工藝下,P/E循環次數在3000-5000次之間,測試的14款SSD評測中有9款SSD的標稱寫入次數都是3000次,只有Intel自家520、330、浦科特M3P以及OCZ Vertex 3 Max IOPS是5000次,最強的是超極速SSD,標稱10萬次寫入壽命,因為它是SLC。

本文選自:http://digi.tech.qq.com/a/20120711/000153.htm

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