苛刻环境大容量MLC型NAND FLASH转换层新机制与算法

苛刻环境下大容量高速存储系统蕴藏着巨大的潜在应用价值，为了克服MLC型固态存储系统自身局限，提高大容量固态存储系统的响应速度，本研究课题主要通过建立转换层新机制与算法来解决上述问题。 首先，设计了一款称为BlogFTL的FTL，在BLOG中我们有效的降低了过度的废弃块收集。同时，我们还提出了一个称为reduced-order merge的局部合并操作。以便最大化利用日志模块中的有效页码和降低不必要的擦除操作。实验表明该方法从根本上解决传统闪存转换层在多层储存单元型固态存储系统上应用失效或者效率低下的问题，实现存储系统在较小的内存开销下获得快速响应能力。其次，为了解决NAND FLASH由于局部页面刷新所导致空闲页和频繁垃圾收集的早期损耗，寿命缩短等问题，我们提出了叫FTL2的一种混合FTL方法。在FTL2中同时采用了记录和映射的技术，以解决由于局部页面频繁更新所造成的在FLASH使用过程中出现的耐久度问题和性能退化等问题。实验结果表明，FTL2可以大大减少页面写入，用很小代价推迟垃圾收集工作。第三，提出了一种新的磨损均衡方案，称为DHeating (Dispersed Heating)，来解决FLASH存储器热平衡的问题。在DHeating中，我们能分散擦除，避免由于加热引起的集中电力中断的问题。通过该技术实现了FLASH使用寿命的延长。第四，为了大大减少擦除操作所花费的时间以及降低合并操作中有效页复制的开销，我们提出了新的I/O优化技术，用来确定文件系统的元数据，这种优化技术能够实现在VM图像文件中存储和不断的更新。然后这些数据被存储在一个小的、附加的非易失性存储器中，这样提高闪存的性能同时延长使用寿命。最后，在课题研究过程中，我们还开展了对于新兴的NVMS（非易失性存储器）的相关研究工作。 I/ O开销已经成为基于NAND闪存的存储设备主要的性能瓶颈之一。新型NVMS，诸如PCM（相变存储器）和STT-RAM（自旋转移矩随机存取存储器），可以提供快速的读/写操作。在课题中，我们提出了一个统一的NVM/闪存架构，以提高I/O性能。另外还提出PCM/DRAM的混合主内存架构。该构架充分利用这两个存储器的性能优势,减少能源消耗同时确保应用程序的实时性。 综上所述，本项目除了按原申请书中研究计划圆满完成预定目标外，增加了一些新内容的研究，这些新内容均是本项目内容的扩展。 2100433B

苛刻环境下大容量高速存储系统蕴藏着巨大的潜在应用价值。由于苛刻环境存在热应力、振动、冲击、真空、电磁辐射等恶劣条件，传统的机电结构存储设备以及磁性存储系统已经无法可靠工作，因此，大容量高速固态存储系统已成为众多应用的核心支撑技术。为了克服多层储存单元型固态存储系统自身只能进行顺序写入和部分编程的局限，提高大容量固态存储系统的响应速度，本研究拟通过建立转换层新机制与算法的方法，构建多层储存单元型固态存储系统地址映射模型、垃圾回收模型、耗损平衡模型；根据双门限检测和可中断垃圾回收机制，减少有效数据页的拷贝操作，确保系统平均响应时间较短，并尽可能的平衡每个数据块的擦除次数，延长芯片的使用寿命，从根本上解决传统闪存转换层在多层储存单元型固态存储系统上应用失效或者效率低下的问题，实现存储系统在较小的内存开销下获得快速响应能力。最后，我们将通过实验和理论分析的手段评价和比较所设计机制与算法的性能。

慧荣是全球主要NAND Flash控制芯片供应商，包括快闪记忆卡、随身碟、固态硬碟(SSD)等，之后更以合并韩国公司的方式跨入移动通信系统单芯片领域。

中文名

慧荣

概述

主要NAND Flash控制芯片供应商

包括

快闪记忆卡、随身碟

出货高峰

落在2008年第1季

慧荣近3年来的出货高峰落在2008年第1季，当时1季出货量超过1亿颗，2009年受到NAND Flash芯片短缺的影响，出货量呈现下滑，2009年第4季控制芯片出货量达7,000万颗，随身碟和快闪记忆卡应用超过 90%。 2008年期间，慧荣在全球快闪记忆卡市场的市占率约40%，2008年约30%。由于NAND Flash大厂跨足生产制造成卡的效应，使得下游记忆卡厂和模块厂都直接向NAND Flash大厂购买成卡，因此对于控制芯片的需求锐减。在纯控制芯片角色生存难度大增加，慧荣的策略是强化与NAND Flash大厂间的合作。

慧荣出货的控制芯片以支持40奈米和30奈米制程为主，三星电子(Samsung Electronics)、东芝(Toshiba)、海力士(Hynix)等也都要从40奈米世代进入30奈米世代，下半年更要进入20奈米世代，慧荣看好20奈米时代来临可进一步驱动SSD需求成长，因此日前已提前准备20奈米制程技术。

存储单元分为两类：SLC（Single-Level Cell 单层单元）和MLC（Multi-Level Cell多层单元）。此外，SLC闪存的优点是复写次数高达100000次，比MLC闪存高10倍。此外，为了保证MLC的寿命，控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法，使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊，达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。

对MLC和SLC两大架构现在网上存在一个普遍的认识误区，那就是大家都认为MLC架构的NAND闪存是劣品，只有SLC架构的NAND闪存才能在质 量上有保障。我们先来回忆一下MLC的发展历程以及SLC目前的发展状况再来给这个假设做定论吧。

MLC技术开始升温应该说是从2003年2月东芝推出了第一款MLC架构NAND Flash开始，当时作为NAND Flash的主导企业三星电子对此架构很是不屑，依旧我行我素大力推行SLC架构。第二年也就是2004年4月东芝接续推出了采用MLC技术的4Gbit和 8Gbit NAND Flash，显然这对于本来就以容量见长的NAND闪存更是如虎添翼。三星电子长期以来一直倡导SLC架构，声称SLC优于 MLC，但该公司于2004和2005年发表的关于MLC技术的ISSCC论文却初步显示它的看法发生了转变。三星在其网站上仍未提供关于MLC闪存的任 何营销材料，但此时却已经开发出了一款4Gbit的MLC NAND闪存。该产品的裸片面积是156mm2，比东芝的90nm工艺MLC NAND闪存大 了18m㎡。两家主流NAND闪存厂商在MLC架构上的竞争就从这时开始正式打响了。除了这三星和东芝这两家外，现在拥有了英特尔MLC技术的IM科技公司更是在工艺和MLC上都希望超越竞争对手，大有后来者居上的冲劲。MLC技术的竞争就这样如火如荼地进行着。

另一方面我们再来看看SLC技术，存取原理上SLC架构是0和1两个充电值，即每Cell只能存取1bit数据，有点儿类似于开关电路，虽然简单但却 非常稳定。如同电脑的CPU部件一样，要想在一定体积里容纳更多的晶体管数，就必须提高生产工艺水平，减小单晶体管体积。目前SLC技术受限于低硅效率问 题，要想大幅度提高制程技术就必须采用更先进的流程强化技术，这就意味着厂商必须更换现有的生产设备，投入大不说而且还是个无底洞。而MLC架构可以一次 储存4个以上的充电值，因此拥有比较好的存储密度，再加上可利用现有的生产设备来提高产品容量，厂商即享有生产成本上的优势同时产品良率又得到了保证，自然比SLC架构更受欢迎。

既然MLC架构技术上更加先进，同时又具备成本和良率等优势，那为什么迟迟得不到用户的认同呢。除了认识上的误区外，MLC架构NAND Flash 确实存在着让使用者难以容忍的缺点，但这都只是暂时的。为了让大家能更直观清楚地认识这两种架构的优缺点，我们来做一下技术参数上的对比。

首先是存取次数。MLC架构理论上只能承受约1万次的数据写入，而SLC架构可承受约10万次，是MLC的10倍。这其中也存在一个误区，网上很多媒体都有写MLC和SLC知识普及的文章，笔者一一拜读过，可以说内容不够严谨，多数都是你抄我我抄你，相互抄来抄去，连错误之处也都完全相同，对网友很不负责。就拿存取次数来说吧，这个1万次指的是数据写入次数，而非数据写入加读取的总次数。数据读取次数的多寡对闪存寿命有一定影响，但绝非像写入那样严重，这个寿命值正随着MLC技术的不断发展和完善而改变着。MLC技术并非一家厂商垄断，像东芝（Toshiba）已生产了好几代MLC架构NAND闪存，包括前不久宣布和美国SanDisk公司共同开发的采用最先进56nm工艺的16Gb（2gigabyte）和 8Gb（1gigabyte）MLC NAND闪存，16Gb是单芯片的业内最大容量。

东芝在MLC闪存设计方面拥有经验与技术，去年东芝利用90nm工艺与三星的73nm产品竞争。东芝90nm MLC闪存的位密度达 29 Mbits/ mm2，超过了三星的73nm闪存（位密度为25.8 Mbits/mm2）。对于给定的存储密度，东芝闪存的裸片面积也比三星的要小。例如东芝的4-Gbit 90nm NAND裸片面积是138 mm2，而三星的4-Gbit 73nm NAND裸片面积是156 mm2，这使东 芝在成本方面更具竞争力。三星方面现在正奋起直追，与东芝之间的竞争异常激烈。再加上IMFT、海力士等厂商的参与，MLC技术发展势头迅猛，今天 MLC NAND Flash写寿命还只有1万次，明天也许就会是2万次、3万次甚至达到与SLC同等级别的10万次，这是完全有可能的。

拿MLC NAND Flash的写寿命我们一起来算笔帐，假如近期笔者购买了一款2GB容量MP3播放器，闪存是东芝产的MLC架构 NAND Flash，理论上只能承受约1万次数据写入。笔者是个疯狂的音乐爱好者，每天都要更新一遍闪存里的歌曲文件，这样下来一年要执行365次数据写入，1万次可够折腾至少27年的，去除7年零头作为数据读取对闪存寿命的损耗，这款MP3播放器如果其它部件不出问题笔者就可以正常使用至少20年。 20年对于一款电子产品有着怎样的意义？就算笔者恋旧，也不可能20年就用一款MP3播放器吧。况且就算是SLC架构，闪存里的数据保存期限最多也只有 10年，1万次的数据写入寿命其实一点儿也不少。

其次是读取和写入速度。这里仍存在认识上的误区，所有闪存芯片读取、写入或擦除数据都是在闪存控制芯片下完成的，闪存控制芯片的速度决定了闪存里数据 的读取、擦除或是重新写入的速度。可能你会拿现成的例子来辩驳，为什么在同样的控制芯片、同样的外围电路下SLC速度比MLC快。首先就MLC架构目前与 之搭配的控制技术来讲这点笔者并不否认，但如果认清其中的原因你就不会再说SLC在速度方面存在优势了。SLC技术被开发的年头远早于MLC技术，与之相 匹配的控制芯片技术上已经非常成熟，笔者评测过的SLC产品数据写入速度最快能达到9664KB/s（ KISS KS900），读取速度最快能达到13138KB/s（ mobiBLU DAH-1700）， 而同样在高速USB2.0接口协议下写入速度最慢的还不足1500KB/s，读取速度最慢的也没有超过2000KB/s。都是SLC闪存芯片，都是高速 USB2.0接口协议，为什么差别会如此大。笔者请教了一位业内资深设计师，得到的答案是闪存控制芯片效能低，且与闪存之间的兼容性不好，这类产品不仅速 度慢而且在数据操作时出错的概率也大。这个问题在MLC闪存刚投入市场时同样也困扰着MLC技术的发展，好在去年12月我们终于看到了曙光。这就是擎泰科技（Skymedi Corporation）为我们带来的新一代高速USB2.0控制芯片SK6281及SD 2.0/MMC 4.2的combo快闪 记忆卡控制芯片SK6621，在MLC NAND闪存的支持与速度效能上皆有良好表现。其所支持的MLC芯片已经达到了Class4的传输速度。

MLC NAND Flash自身技术的原因，只有控制芯片效能够强时才能支持和弥补其速度上的缺点，支持MLC制程的控制芯片需要较严格的标准，以充分发挥NAND闪存芯片的性能。擎泰科技所推出的系列控制芯片经过长时间可靠性测试及针对不同装置兼容性进行的比对较正，已能支持目前市场主流的MLC 闪存，如英特尔JS29F16G08CAMB1、JS29F08G08AAMB1，三星K9G4G08U0A、K9G8G08U0M、 K9LAG08U0M、K9HBG08U1M，东芝TC58NVG2D4CTG00、TC58NVG3D4CTG00、TH58NVG4D4CTG00， 美光（Micron）、海力士（Hynix）等等。此外，藉由良好的韧体设计，可大幅提升性能，达到最高的存取速度，例如：SK6621支持MLC可到 Class4水准，其所支持SLC皆可支持到Class6的传输速度。SK6281还达到了Vista ReadyBoost速度的需求 （Enhanced for Windows ReadyBoost），且支持单颗MLC时可达22MB/s的读取速度及6MB/s的写入速度，综合下来 并不比SLC慢多少。你手上的MP3播放器USB传输速度慢并不全是因为闪存芯片采用了MLC架构，它与控制芯片的关系要更加密切一些。

第三是功耗。SLC架构由于每Cell仅存放1bit数据，故只有高和低2种电平状态，使用1.8V的电压就可以驱动。而MLC架构每Cell需要存 放多个bit，即电平至少要被分为4档（存放2bit），所以需要有3.3V及以上的电压才能驱动。最近传来好消息，英特尔新推出的65纳米MLC写入速 度较以前产品提升了二倍，而工作电压仅为1.8V，并且凭借低功耗和深层关机模式，其电池使用时间也得到了延长。

第四是出错率。在一次读写中SLC只有0或1两种状态，这种技术能提供快速的程序编程与读取，简单点说每Cell就像我们日常生活中使用的开关一样， 只有开和关两种状态，非常稳定，就算其中一个Cell损坏，对整体的性能也不会有影响。在一次读写中MLC有四种状态（以每Cell存取2bit为例）， 这就意味着MLC存储时要更精确地控制每个存储单元的充电电压，读写时就需要更长的充电时间来保证数据的可靠性。它已经不再是简单的开关电路，而是要控制 四种不同的状态，这在产品的出错率方面和稳定性方面有较大要求，而且一旦出现错误，就会导致2倍及以上的数据损坏，所以MLC对制造工艺和控制芯片有着更 高的要求。目前一些MP3主控制芯片已经采用了硬件4bit ECC校验，这样就可以使MLC的出错率和对机器性能的影响减小到最低。

第五是制造成本。为什么硬盘容量在成倍增大的同时生产成本却能保持不变，简单点说就是在同样面积的盘片上存储更多的数据，也就是所谓的存储密度增大 了。MLC技术与之非常类似，原来每Cell仅存放1bit数据，而现在每Cell能存放2bit甚至更多数据，这些都是在存储体体积不增大的前提下实现的，所以相同容量大小的MLC NAND Flash制造成本要远低于SLC NAND Flash。

综上所述，MLC技术是今后NAND Flash的发展趋势，就像CPU单核心、双核心、四核心一样，MLC技术通过每Cell存储更多的bit来实 现容量上的成倍跨越，直至更先进的架构问世。而SLC短期内仍然会是市场的佼佼者，但随着MLC技术的不断发展和完善，SLC必将退出历史的舞台。

SLC(信令链路编码)

某个方向上的信令链路一般都编成一个组，叫信令链路组。这条信令链路在这个组中的号码就是SLC。SLC号是做数据的时候工程人员定义的。

《节能管理与新机制篇》为您描述能源与环境是当今时代人类面临的共同问题。我国人口众多，能源资源相对不足，生态环境脆弱，目前正处于工业化、城镇化加快发展的重要阶段，能源资源的消耗强度高，消费规模不断扩大，能源供需矛盾越来越突出，解决我国能源环境问题，根本出路是走建设资源节约型、环境友好型社会的可持续发展之路。