SSD-диски.

SSD-диски. 

В SSD дополнительно используются микросхемы DDR DRAM кеш-памяти. Это связано со спецификой работы и возросшей в несколько раз скоростью обмена данными между контроллером и интерфейсом. SSD-контроллер твердотельного диска (см. рис. 1) обеспечивает выполнение операций чтения/записи, и управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер должен оптимизировать скорость записи и обеспечить максимально длительный срок службы SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Ячейки объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно, только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому, правильно настроенные и оптимизированные алгоритмы контролера могут существенно повысить производительность и долговечность работы SSD-диска. В контроллер входят следующие основные элементы:

 - Processor – как правило, 16-ти или 32-х разрядный микроконтроллер. Выполняет инструкции микропрограммы, отвечает за перемешивание и выравнивание данных на Flash, диагностику SMART, кеширование и безопасность.

 - Error Correction (ECC) – блок контроля и коррекции ошибок ECC;

 - Flash Controller – включает адресацию, шину данных и контроль управления микросхемами Flash памяти;

 - DRAM Controller - адресация, шина данных и управление DDR/DDR2/SDRAM кэш памятью;

- I/O interface – отвечает за интерфейс передачи данных на внешние интерфейсы SATA, USB или SAS;

- Controller Memory – состоит из ROM памяти и буфера. Память используется процессором для выполнения микропрограммы и как буфер для временного хранения данных. При отсутствии внешней микросхемы RAM памяти выступает в роли единственного буфера данных SSD.

Рис. 1.

В SSD различных производителей применяются модели контроллеров ряда известных фирм:

 - Indilinx "Barefoot ECO" IDX110MO1;

 - Indilinx "Barefoot" IDX110M00;

 - Intel PC29AS21BA0;

 - JMicron JMF602;

 - JMicron JMF612;

 - Marvel 88SS9174-BJP2;

 - Samsung S3C29RBB01-YK40;

 - SandForce SF-1200;

 - SandForce SF-1500;

 - Toshiba T6UG1XBG.

                Существуют две основные архитектуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (логическая функция ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая функция И-НЕ). При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение для эмуляции размера сектора дисковых накопителей выполняются посекторно или постранично блоками по 512 байт.

Особенности и различия в организации структуры между памятью NOR и NAND, обуславливают серьезные различия их технических характеристик, и определяют область их применения. Флэш-память типа NAND используется для хранения и  работы со сравнительно большими массивами данных, процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее, чем в памяти NOR. А поскольку 16 прилегающих друг к другу ячеек памяти NAND соединены последовательно, без контактных промежутков, достигается и очень высокая плотность размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. Кроме того, последовательная организация ячеек обеспечивает высокую степень масштабируемости, что делает флэш-память типа NAND лидером и в гонке наращивания объемов памяти, поэтому они наиболее  подходят для создания твердотельных HDD.

Рассмотрим особенности микросхем РПЗУ Hynix на примере серии HY27xx(08/16)1G1M.

На рис. 2 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов. Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Для увеличения жизненного цикла NAND-флэш устройств настоятельно рекомендуется применять код корректировки ошибок (ECC). Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания. Для оптимальной работы с дефектными блоками доступна команда «Copy Back». Если программирование какой-либо страницы оказалось неудачным, данные по этой команде могут быть записаны в другую страницу без их повторной отправки.

Рис. 2.  Внутренняя организация и сигналы микросхем NAND-флэш (Hynix)

При работе с микросхемами памяти выполняются три основных действия: чтение (см. рис. 3), запись (рис. 4) и стирание (рис. 5).

Рис. 3. Временная диаграмма процедуры чтения

Процедуры чтения данных из NAND-памяти могут быть трех типов: случайное чтение, постраничное чтение и последовательное построчное чтение. При случайном чтении для получения одной порции данных нужна отдельная команда.

Чтение страницы выполняется после доступа в режиме случайного чтения, при котором содержимое страницы переносится в буфер страницы. О завершении переноса информирует высокий уровень на выход «Чтение/занят». Данные могут быть считаны последовательно (от выбранного адреса столбца до последнего столбца) по импульсу сигнала на Read Enable (RE).

Режим последовательного построчного чтения активен, если на входе Chip Enable (CE) остается низкий уровень, а по входу Read Enable поступают импульсы после прочтения последнего столбца страницы. В этом случае следующая страница автоматически загружается в буфер страниц и операция чтения продолжается. Операция последовательного построчного чтения может использоваться только в пределах блока. Если блок изменяется, должна быть выполнена новая команда чтения.

Рис. 4. Временная диаграмма процедуры записи

                Стандартной процедурой записи данных является постраничная запись. Главная область массива памяти программируется страницами, однако допустимо программирование части страницы с необходимым количеством байт (от 1 до 528) или слов (от 1 до 264). Максимальное число последовательных записей частей одной и той же страницы составляет не более одной в главной области и не более двух в резервной области. После превышения этих значений необходимо выполнить команду стирания блока перед любой последующей операцией программирования этой страницы. Каждая операция программирования состоит из пяти шагов:

 - один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы;

 - четыре шинных цикла требуются для передачи адреса;

 - выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц;

 - один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER;

 - выполнение контроллером PER записи данных в массив.

                Операция стирания выполняется за один раз над одним блоком. В результате её работы все биты в указанном блоке устанавливаются в «1». Все предыдущие данные оказываются утерянными. Операция стирания состоит из трех шагов:

 - один цикл шины необходим для установки команды стирания блока;

 - только три цикла шины нужны для задания адреса блока, первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются;

 - один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

                Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Очень перспективным для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей.

Рис. 5. Временная диаграмма процедуры стирания

                Крупнейшими производителями микросхем флэш-памяти считаются и корпорации Toshiba, Samsung Electronics, Spansion (AMD-Fujitsu), STMicroelectronics, Intel. Все они усиленно работают по совершенствованию своей продукции в направлении уменьшения энергопотребления, размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия флэш-памяти. Производители флэш-памяти серьезно намерены расширить область применения своих микросхем и заменить ими (в различных устройствах) жесткие диски и  память других типов. Специалисты утверждают, что если технологии флэш-памяти будут развиваться такими же темпами, то к концу текущего десятилетия твердотельные диски благодаря их бурно растущей емкости полностью вытеснят жесткие диски из ряда моделей мини-ноутбуков.