【導讀】隨著(zhù)對新特性和功能需求的增加，大容量存儲在嵌入式工業(yè)應用中的使用持續增長(cháng)。雖然更復雜的GUI和應用已經(jīng)通過(guò)增加NAND芯片容量而成為可能;更快的接口和各種托管NAND解決方案的可用性;尋找能夠應對極端環(huán)境需求的足夠固態(tài)存儲解決方案的挑戰仍然存在。幸運的是，NAND存儲介質(zhì)和控制器設計的發(fā)展意味著(zhù)現在有更可靠和更具成本效益的選擇。
隨著(zhù)對新特性和功能需求的增加，大容量存儲在嵌入式工業(yè)應用中的使用持續增長(cháng)。雖然更復雜的GUI和應用已經(jīng)通過(guò)增加NAND芯片容量而成為可能;更快的接口和各種托管NAND解決方案的可用性;尋找能夠應對極端環(huán)境需求的足夠固態(tài)存儲解決方案的挑戰仍然存在。幸運的是，NAND存儲介質(zhì)和控制器設計的發(fā)展意味著(zhù)現在有更可靠和更具成本效益的選擇。
滿(mǎn)足極端環(huán)境的需求
嵌入式設計人員對大容量存儲功能的愿望清單的頂部通常是高可靠性。此外，還需要高機械抗沖擊和振動(dòng)能力，這通常排除了使用可拆卸存儲器而支持焊接球柵陣列（BGA）器件的可能性。在擴展溫度范圍內的保證操作也可以添加到列表中。此外，理想的解決方案應長(cháng)期可用，以防止昂貴且耗時(shí)的存儲設備重新認證。
實(shí)際使用案例 — 找到合適的存儲解決方案
在實(shí)際用例中，SSD中數據完整性和電源故障數據保護的好處至關(guān)重要，那就是列車(chē)中的制動(dòng)管理系統。雖然運輸系統設計人員非常小心地確保穩定的電源，但掉電并不是完全可以預防的。如果沒(méi)有內置的固有電源故障保護，則存在明顯的數據損壞風(fēng)險。如果受影響的文件是操作系統或應用程序軟件的一部分，這可能意味著(zhù)制動(dòng)管理系統嚴重故障。典型的制動(dòng)管理系統監控關(guān)鍵參數，如總使用小時(shí)數、制動(dòng)效率和溫度，以告知關(guān)鍵維護計劃。在記錄此數據期間發(fā)生故障可能意味著(zhù)錯過(guò)或不必要的停機時(shí)間以及增加的維護成本。
為這種類(lèi)型的嵌入式應用選擇合適的 SSD 至關(guān)重要。在許多情況下，單級單元（SLC）NAND存儲器可能是理想的技術(shù)，既提供強大的數據保留功能，又提供高編程和擦除（P /E）周期。但是，這種技術(shù)的主要問(wèn)題是缺乏高容量選項和更高的內存成本。如果我們看一下低成本的技術(shù)，如平面（2D）多級單元（MLC）NAND，它每個(gè)單元包含兩個(gè)位，我們立即得到更經(jīng)濟，更高容量的選擇。在大多數情況下，可用的耐久性為3，000至10，000 P / E循環(huán)，這對于許多應用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
完美的解決方案？
嗯，不完全是。
平面 MLC NAND 將其兩位數據存儲在一個(gè)存儲單元中。這兩個(gè)位位于兩個(gè)不同的配對頁(yè)面中，這些頁(yè)面在單獨的階段中編程。這意味著(zhù)，如果在寫(xiě)入一個(gè)頁(yè)面時(shí)電源出現故障，則配對頁(yè)面中的數據也可能已損壞。主機文件系統可能能夠管理電源故障時(shí)正在寫(xiě)入的頁(yè)面，但在稍后某個(gè)時(shí)間嘗試讀取該數據之前，它將不知道損壞的配對頁(yè)面。配對頁(yè)面的內容將包含不可校正 （UNC）數據，其中每個(gè)單元格的費用狀態(tài)不確定，無(wú)法解析為 0 或 1。
防止這種情況的傳統解決方案涉及將驅動(dòng)器的電源保留足夠的時(shí)間，以允許頁(yè)面程序操作完成。這可以通過(guò)板載功率損耗保護電容來(lái)實(shí)現，以便為頁(yè)面編程時(shí)間以及一些程序延遲提供足夠的電荷。如果使用的驅動(dòng)器具有 DRAM 緩存，則存儲的能量需要顯著(zhù)增加，以防止緩存內容丟失。典型的斷電保護（PLP）解決方案可能如圖1中的通用示例所示。
圖1：通用功率保持電路
新型 NAND 技術(shù)
內存架構的最新進(jìn)展使一類(lèi)新的基于3D NAND的固態(tài)存儲解決方案成為可能，消除了配對頁(yè)面問(wèn)題。3D NAND使用垂直堆疊的存儲單元層，可以提供與平面NAND閃存相同的耐用性，同時(shí)提高成本效益和更快的性能。借助美光的工業(yè) 3D MLC NAND，現在可以在一次通過(guò)中實(shí)現編程，同時(shí)對兩個(gè)頁(yè)面進(jìn)行編程。圖2中的單通道編程表示顯示了MLC NAND中電池的典型閾值電壓（Vt）分布，以及如何將充電狀態(tài)解碼為這些電池的位值。
圖 2：?jiǎn)瓮ǖ谰幊痰谋硎拘问?/p>
上下頁(yè)可由 NAND 閃存控制器在一次操作中進(jìn)行編程，因此電池電荷同時(shí)移動(dòng)到兩個(gè)頁(yè)所需的電平，從而有效地消除了在電源中斷期間配對頁(yè)中數據損壞的可能性?？刂破髫撠煷_保塊中的頁(yè)面按順序編程，并且下部和上層頁(yè)面地址位于共享字行（WL）上。
美光的3D NAND + 綠聯(lián)的NAN驅動(dòng)器解決方案
具有智能控制器，如綠聯(lián)開(kāi)發(fā)的用于其小尺寸eMMC NANDrive BGA固態(tài)硬盤(pán)的控制器，以及3D MLC NAND的單通道編程功能。制動(dòng)管理系統設計人員現在可以確保存儲的數據不受突然斷電的影響。
控制器只需一步即可對所有狀態(tài)進(jìn)行編程，而不會(huì )干擾相鄰單元，從而降低驅動(dòng)器上已存在數據（稱(chēng)為“靜態(tài)數據”）的風(fēng)險。此外，該控制器通過(guò)使用美光先進(jìn)的 3D NAND 功能，有助于最大限度地減少傳輸或傳輸中的數據（在臨時(shí) DRAM 或 SRAM 緩存緩沖區中）的損壞。
如果電源在寫(xiě)入操作中途發(fā)生故障，則主機通?？梢允褂萌沼浌δ芑蚱渌聞?wù)故障安全協(xié)議來(lái)確定最后寫(xiě)入的文件未完成，因此應忽略或替換該文件中的數據。如果應用程序使用小寫(xiě)入，則最好是 NAND 頁(yè)的大小。然后，復雜的控制器固件將使用利用3D NAND自動(dòng)讀取校準的高級算法來(lái)嘗試恢復最后一頁(yè)，即使寫(xiě)入操作期間電源出現故障也是如此。
控制器自適應閾值電壓調諧進(jìn)一步增強了控制器恢復最后一頁(yè)數據的能力。為了保留由于過(guò)多的P/E循環(huán)引起的介電泄漏而可能丟失的數據，控制器還可以定期刷新存儲單元中的數據。
通過(guò)實(shí)現上述所有功能，綠聯(lián)的工業(yè)eMMC 5.1固態(tài)硬盤(pán)和美光的3D MLC NAND已成功通過(guò)廣泛的電源故障測試（數千次電源中斷周期），而不會(huì )損壞制動(dòng)管理系統中的數據。
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