Устройство микросхем флэш-памяти

В твердотельных накопителях используются три типа памяти NAND:

SLC (Single Level Cell) - в каждой ячейке хранится один разряд (бит) информации;

MLC (Multi Level Cell) - в каждой ячейке хранится два разряда информации;

TLC (Three Level Cell) - в каждой ячейке хранится три разряда информации.

Соответственно, памяти MLC и TLC более дешёвые по сравнению с памятью SLC при одинаковой емкости. Однако памяти MLC и TLC обладает меньшим ресурсом циклов стирания (100000 у SLC, 10000 - для MLC, до 5000 – для TLC) и худшим быстродействием. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок. Так как SLC-микросхемы намного дороже и объем их меньше, то для массовых решений применяют в основном MLC и TLC-микросхемы. На данный момент MLC- и TLC-память активно развивается и по скоростным характеристикам приближается к SLC-памяти. Меньшую скорость MLC- и TLC-микросхем производители твердотельных накопителей компенсируют алгоритмами чередования блоков данных между микросхемами памяти (одновременная запись/чтение в две микросхемы флэш-памяти, по байту в каждую) по аналогии с RAID 0, а низкий ресурс - перемешиванием и слежением за равномерным использованием ячеек. Плюс к этому в твердотельных накопителях резервируется часть объёма памяти (до 20%). Это недоступная память для стандартных операций записи/чтения. Она необходима как резерв в случае износа ячеек, по аналогии с НЖМД, которые имеет резерв для замены «плохих» кластеров. Дополнительный резерв ячеек используется динамически, и по мере физического изнашивания основных ячеек предоставляются резервные ячейки на замену.

Логическая структура флэш­-памяти

В твердотельных накопителях используется флэш-­память с организацией по типу NAND. Несмотря на тот факт, что флэш-­память позволяет получить доступ для чтения, записи и стирания отдельно взятой ячейки, для более эффективного использования элементарных ячеек памяти они объединены в массивы с четырехуровневой структурой:

элементарная ячейка памяти - низший уровень;

страница памяти - элементарные ячейки, объединенные в массив, вмещающий 4К байт данных;

блок памяти -128 страниц образуют блок памяти размером 512К байт (иногда в блок памяти входит 64 страницы);

массив размером 512М байт – состоит из 1024 блоков.

Таким образом, логическая структура объединения ячеек в массивы довольно проста. Страница подобна кластеру в НЖМД и представляет собой минимальный размер данных, с которым работает флэш­-память. Однако между кластером НЖМД и страницей флэш-­памяти существует принципиальная разница при выполнении операций чтения, записи и удаления. Так, если в НЖМД кластер можно прочитать, записать и удалить, то во флэш­-памяти операции чтения и записи возможны страницами по 4К байт, а стирание данных — только блоками по 512К байт. Причем, как только информация записана на страницу, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищен блок с этой страницей.

Операция записи подразумевает под собой изменение состояния ячейки в секторе в одном направлении. Обратное изменение – это другая операция, «стирание».

Возможности микросхемы флэш-памяти определяются несколькими параметрами. Наиболее важные для производительности – задержки памяти, ее тайминги. Быстрее всего, что логично, осуществляется операция чтения – длится она порядка 50 микросекунд. Операции записи на порядок медленнее, они могут длиться около миллисекунды. Ну а стирание происходит еще медленнее – 2-3 миллисекунды.

Однако не всё так радужно. У флэш-памяти есть ограниченный ресурс перезаписи ячеек. Для MLC-модулей, выполненных по 34 нм техпроцессу, он составлял порядка 10000 циклов. Количество циклов определяется не только типом ячейки (SLC куда более «живучие») и «тонкостью» технологического процесса, важна также конкретная реализация. Но тенденция однозначная – чем «тоньше» технологический процесс, тем меньше циклов перезаписи. Здесь на помощь приходит контроллер твердотельного накопителя, который старается равномерно распределять нагрузку по всем ячейкам. Со временем ячейки «изнашиваются» и их задержки начинают расти. Впрочем, рост этот обычно не сильно сказывается на результирующей производительности твердотельного накопителя.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: