從智能手機(jī)、筆記型電腦、以及與各種云端應(yīng)用相關(guān)的服務(wù)器，快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存已經(jīng)在我們的現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)處不在。快閃存儲(chǔ)器技術(shù)已經(jīng)如此普遍，我們大多數(shù)人甚至都沒(méi)有意識(shí)到快閃存儲(chǔ)器技術(shù)本質(zhì)上并不是一種可靠的儲(chǔ)存媒介。實(shí)際上，快閃存儲(chǔ)器單元的使用壽命有限，快閃存儲(chǔ)器的特性意味著需要強(qiáng)大的磨損平衡(Wear-Leveling)技術(shù)以便使其有更好的性能表現(xiàn)。

業(yè)界的好消息是，現(xiàn)代快閃存儲(chǔ)器控制器中的磨損平衡技術(shù)已經(jīng)有顯著進(jìn)步，能夠克服快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存介質(zhì)固有的弱點(diǎn)，并幫助發(fā)揮出快閃存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于現(xiàn)代快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器系統(tǒng)而言，控制器的選擇比快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器本身更加重要，借由選擇合適的快閃存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行應(yīng)用，可以提升系統(tǒng)的耐用性和可靠性。

這對(duì)于終端用戶和設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)是項(xiàng)重大的裨益，因?yàn)橹灰x用合適的高品質(zhì)控制器，低成本、高容量、多級(jí)單元的MLC快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器就可以大幅使用在更關(guān)鍵的應(yīng)用中。

由于當(dāng)今接觸到的所有電子設(shè)備幾乎都在使用快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器，我們很容易忘記這項(xiàng)技術(shù)本身其實(shí)是一種苛求完美的媒介，面臨許多可靠性的挑戰(zhàn)。

P/E次數(shù)有限為最大挑戰(zhàn)雖然快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存單元可讀取接近無(wú)限次數(shù)，但是它們被編程或擦除(P/E)的次數(shù)卻很有限。快閃存儲(chǔ)器被編程或擦除的耐久性取決于快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器的類型，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于SSD或eMMC等大多數(shù)采用NAND快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存設(shè)備而言，其中所使用的是商用MLC型快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器，通常每個(gè)單元只有數(shù)千個(gè)編程或擦除周期。

盡管快閃存儲(chǔ)器在讀取時(shí)沒(méi)有太多問(wèn)題，但快閃存儲(chǔ)器寫入過(guò)程的涉入程度更高。快閃存儲(chǔ)器可以在頁(yè)面級(jí)寫入，大小以千位元為單位。數(shù)據(jù)在正確寫入之前，頁(yè)面必須要維持凈空。不幸的是，快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器每次只能擦除一個(gè)區(qū)塊，其大小為百萬(wàn)位元。因此，寫入快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器之前首先需要擦除包含頁(yè)面在內(nèi)的大區(qū)塊存儲(chǔ)器。由于更新快閃存儲(chǔ)器某個(gè)單元就必須更新區(qū)塊中的所有單元，如此將縮短總體使用壽命。此過(guò)程通常被稱為寫入擴(kuò)增(Write AmplificaTIon)。

為了減少快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器單元的磨損，所有快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存設(shè)備必須使用磨損平衡技術(shù)。這些技術(shù)旨在驅(qū)動(dòng)器上均勻地分散磨損，以最大幅度提高系統(tǒng)的耐久性。在DRAM、SRAM或未使用的快閃存儲(chǔ)器單元中的臨時(shí)緩沖區(qū)都可用來(lái)跟蹤驅(qū)動(dòng)器下一步要寫入的位置以及需要擦除的舊位置。

快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)主要問(wèn)題是電源故障保護(hù)。臨時(shí)緩沖區(qū)包含驅(qū)動(dòng)器下一步應(yīng)該寫入的數(shù)據(jù)以及必須擦除的舊位置等訊息，這些訊息儲(chǔ)存在容易流失的存儲(chǔ)器中，在此情況下，突然斷電會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)被擦除，使得傳送數(shù)據(jù)失敗造成災(zāi)難性的損失。

隨著光刻制程尺寸的降低以及快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器密度和性能的提高，影響快閃存儲(chǔ)器可靠性的最后一個(gè)問(wèn)題是不斷增加的錯(cuò)誤數(shù)量。最初的快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器使用單級(jí)單元(SLC)快閃存儲(chǔ)器，其中每個(gè)單元儲(chǔ)存一位元，但現(xiàn)代快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器通常將一個(gè)快閃存儲(chǔ)器單元分成多個(gè)位元，即MLC/TLC快閃存儲(chǔ)器。每個(gè)物理單元支持更多字節(jié)以增大儲(chǔ)存密度，但是會(huì)降低每個(gè)字節(jié)開(kāi)/關(guān)狀態(tài)之間的閾值。這不僅會(huì)增大誤碼率，而且降低使用壽命。隨著光刻制程尺寸的減小，快閃存儲(chǔ)器密度會(huì)進(jìn)一步提高，錯(cuò)誤率也會(huì)增大。

高級(jí)控制器技術(shù)提升可靠度盡管快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存可靠性面臨著上述挑戰(zhàn)，但我們?nèi)匀荒軌驅(qū)⑵溆糜谌粘５南M(fèi)類、商業(yè)類甚至關(guān)鍵任務(wù)性的應(yīng)用，這方面主要得益于先進(jìn)的快閃存儲(chǔ)器控制器技術(shù)。這些控制器結(jié)合了在磨損平衡、電源故障管理和糾錯(cuò)等方面的先進(jìn)技術(shù)，使我們能夠安全可靠地使用當(dāng)今的高密度快閃存儲(chǔ)器。

磨損平衡快閃存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)換層(FTL)是快閃存儲(chǔ)器控制器其中最重要的面向。透過(guò)將主機(jī)的邏輯位址轉(zhuǎn)換為快閃存儲(chǔ)器上的物理位址，可以使SSD磨損平衡。例如，如果主機(jī)系統(tǒng)在相同的位址更新數(shù)據(jù)，F(xiàn)TL會(huì)將該邏輯位址轉(zhuǎn)換為新的物理位址，以便在快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器上均勻地分布磨損，大幅度地提高耐用性。

FTL映射邏輯到物理位址的粒度對(duì)性能和耐久性都有很大的影響。消費(fèi)類USB和SD卡等較簡(jiǎn)單的快閃存儲(chǔ)器介質(zhì)使用基于區(qū)塊的映射，在區(qū)塊層級(jí)(大小為百萬(wàn)位元)執(zhí)行映射。由于每個(gè)邏輯頁(yè)面都直接映射到固定的物理頁(yè)面，磨損平衡發(fā)生在區(qū)塊層級(jí)，因而在頁(yè)面層級(jí)無(wú)法產(chǎn)生優(yōu)化。

由于區(qū)塊的尺寸就是擦除操作的最小尺寸，所以這種映射實(shí)施起來(lái)非常簡(jiǎn)單且負(fù)擔(dān)較低。但是，這種簡(jiǎn)單的方法會(huì)導(dǎo)致大量的寫入擴(kuò)增，并縮短了元件的使用壽命。

基于頁(yè)面的映射通常用于現(xiàn)代SSD，它是將更細(xì)粒度的邏輯數(shù)據(jù)頁(yè)面(以千位元為單位)映射到數(shù)據(jù)的物理頁(yè)面。透過(guò)這種映射，邏輯頁(yè)面可以映射到區(qū)塊內(nèi)的任何物理頁(yè)面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊級(jí)和頁(yè)面級(jí)的磨損平衡。但是，對(duì)于其他形態(tài)因數(shù)，SSD基于頁(yè)面的映射尚未被廣泛使用。

頁(yè)面映射等更細(xì)化的方法需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力，并且必須儲(chǔ)存更大的映射表。但是，不斷增大的粒度可以大幅度降低寫入擴(kuò)增。

特別是對(duì)于工業(yè)、嵌入式或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，較小的隨機(jī)I/O操作是常態(tài)，粒度、頁(yè)面映射可以大大降低寫入擴(kuò)增，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

斷電保護(hù)由于SSD磨損平衡算法的映射訊息通常儲(chǔ)存在易于流失的DRAM中，因此電源故障會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的訊息遺失和驅(qū)動(dòng)器損壞。為防止這種可能性出現(xiàn)，許多工業(yè)SSD會(huì)采用超級(jí)電容器來(lái)儲(chǔ)存?zhèn)溆秒娔埽苑纻潆娫垂收希瓜到y(tǒng)有時(shí)間把DRAM內(nèi)容轉(zhuǎn)存到不易流失的快閃存儲(chǔ)器中。

這種方法雖然可行，但并不理想。依靠超級(jí)電容的備用電能，這些SSD不但增加成本，而且還可能引入額外的故障點(diǎn)，因而影響系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。微型SD(μSD)等更小形態(tài)的設(shè)備根本不允許包括DRAM和電容器。

具備Hyperstone hyMap技術(shù)快閃存儲(chǔ)器控制器的儲(chǔ)存設(shè)備能夠直接在非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)映射訊息，這不僅消除了DRAM和電容器的成本，而且在任何時(shí)間、任何情況下都能確保數(shù)據(jù)的安全。

糾錯(cuò)糾錯(cuò)是快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存可靠性難題中的最后一關(guān)。

以前的快閃存儲(chǔ)器可以使用簡(jiǎn)單的海明碼(Hamming-Code)糾錯(cuò)碼(ECC)，但新一代高密度MLC快閃存儲(chǔ)器則需要更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。現(xiàn)代MLC ECC必須能夠校正每個(gè)扇區(qū)的多個(gè)位元。

消費(fèi)類SSD可能會(huì)選擇使用品質(zhì)和成本較低的LDPC代碼來(lái)執(zhí)行這種類型的ECC，但工業(yè)級(jí)快閃存儲(chǔ)器具有更嚴(yán)格的要求，更傾向于采用BCH或其他更高可靠性的方法。使用96位元的BCH ECC，可以提供多位元糾錯(cuò)功能，而且毋需給I/O操作增加任何負(fù)擔(dān)。

遙控器為高可靠/長(zhǎng)壽命關(guān)鍵構(gòu)建可靠的快閃存儲(chǔ)器充滿了挑戰(zhàn)。盡管固態(tài)儲(chǔ)存沒(méi)有可移動(dòng)元件，物理上比硬盤更可靠。但快閃存儲(chǔ)器單元有限的使用壽命、電源故障以及快閃存儲(chǔ)器的糾錯(cuò)等問(wèn)題給數(shù)據(jù)的可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于嵌入式和工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等需要長(zhǎng)壽命周期的應(yīng)用領(lǐng)域。

過(guò)去，只要購(gòu)買SLC型快閃存儲(chǔ)器就足以保證一個(gè)相對(duì)可靠的系統(tǒng)。然而，隨著制程幾何尺寸的縮小和快閃存儲(chǔ)器密度的不斷提高，如今不同快閃存儲(chǔ)器介質(zhì)之間可靠性和錯(cuò)誤率的差異已經(jīng)沒(méi)有之前那么明顯，當(dāng)今儲(chǔ)存系統(tǒng)可靠性的最大決定因素反而是快閃存儲(chǔ)器控制器的設(shè)計(jì)。

對(duì)于要求高可靠性和使用壽命長(zhǎng)的應(yīng)用，重要的是要選擇嵌入式工業(yè)市場(chǎng)的控制器為目標(biāo)，而不是那些以犧牲使用壽命或數(shù)據(jù)完整性為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的產(chǎn)品。透過(guò)先進(jìn)的磨損平衡技術(shù)、電源故障防護(hù)設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的ECC，基于Hyperstone控制器的儲(chǔ)存設(shè)備能夠確保實(shí)現(xiàn)高可靠度的解決方案。