在为工业应用选择闪存设备时提出正确的问题

为工业应用选择闪存设备或固态硬盘 （SSD） 非常复杂。性价比比较没有多大用处，因为需求驱动的绩效定义取决于许多因素。

当涉及到标准IT应用程序时，每GB价格是闪存的一个非常好的购买标准。在某些情况下，还考虑了写入和读取速度。但是，如果您需要用于工业应用的闪存设备，或者您需要用于户外电信应用的存储卡，那么您的优先事项将有所不同。如果像通常的情况一样，容量不是真正的问题，那么坚固性和耐用性肯定是问题。耐久性（即闪存介质寿命）和保留（即保存数据的持久性）是复杂的问题。存储介质固件和体系结构都在这里发挥作用，应用程序的性质也是如此。数据将如何写入？还是更强调阅读？如果您对闪存有特殊要求，那么您需要确切地知道要问哪些问题。

背景：衰老迹象

通常，NAND闪存设备的单元仅允许有限数量的删除。这是因为每次产生隧道效应时，通常阻止电子从浮栅流出的氧化层由于熄灭电压而积累高能电子。结果，阈值电压随时间变化，最终电池不再可读。

老化的另一个影响是在氧化层中形成导电路径，导致电池逐渐失去电荷 - 随之而来的是保持位。这种效应通过暴露在高温下而加速，特别是在允许的程序/擦除（P / E）周期数减少的情况下，往往会发生，从而导致保留率急剧下降。因此，虽然新的单级和多级单元（SLC和MLC）NAND都能可靠地提供10年的保留期，但这一数字在其使用寿命结束时下降到只有一年。但是使用MLC NAND，在3，000个P / E周期后达到这一点，而使用SLC则在100，000个P / E周期后达到。这就解释了为什么SLC是复杂应用的首选解决方案，以及为什么低成本的三级单元（TLC）NAND芯片不能用于长期存储。要使用这种技术为每个电池写入三位，您需要八种不同的电荷状态，这就是为什么退化变得明显得多的原因。在TLC中，最初的一年保留水平在仅500个P / E周期后下降到三个月。

缓解措施

使用各种机制减轻了对芯片的物理损坏的影响。鉴于当一个单元发生故障时，整个块需要标记为“坏”，磨损均衡可确保所有物理存储地址经历相同级别的使用。但阅读错误不仅仅指向磨损。每次写入数据时，程序化细胞周围的细胞都会经历压力（即它们变得更有活力）——这种现象被称为“程序干扰”。随着时间的推移，电池电压阈值增加，导致读取错误 - 一旦相关块被擦除，这些错误就会修复。阅读还会导致一种称为“阅读干扰”的压力形式，即相邻的页面累积电荷。由于所涉及的电压相对较低，这种影响远不如写入明显 - 然而，读取容易出现位错误，必须通过纠错码（ECC）进行纠正，并通过删除相关块来修复。有趣的是，这种效果在重复读取相同数据的应用程序中尤其明显。这意味着即使在只读内存中，也需要删除块并重复写入页面以纠正错误。

如何测量固态硬盘耐久性

制造商使用两个指标来衡量闪存设备的使用寿命：写入 TB 数 （TBW） 和每天驱动器写入数 （DWPD）。TBW 表示在 SSD 的生命周期内可以写入的数据总量，而 DWPD 表示在保修期内每天可以写入的数据量。这些基准测试的问题在于它们非常复杂，用户别无选择，只能依赖制造商的规格。此外，在为给定应用选择正确的数据介质时，尚不清楚这些规范的实际相关性，因为获得的数字在很大程度上取决于测试工作负载。例如，对 Swissbit 480 GBP SSD 的测试得出 1360、912 或 140 TBW 的使用寿命，具体取决于所使用的测量方法。最引人注目的结果是通过测量顺序书写来实现的。第二个值 （912） 由客户端工作负荷生成，而第三个值 （140） 派生自企业工作负荷。这两个负载测试都构成 JEDEC 标准。客户端工作负载基于计算机用户的行为，并且主要生成顺序访问。另一方面，企业工作负载在多用户环境中模拟服务器的性能，该环境可生成高达 80% 的随机访问。

虽然从理论上讲，这些标准应该允许可比性，但问题是许多制造商根本不指示底层工作负载，而是将其产品信息基于顺序写入值。而且，正如示例所示，由于后者对于企业工作负载的差异可能相差十倍，因此在涉及显着且未明确指定的高耐久性值时，需要格外小心。

写入放大因子 （WAF） 降低

逻辑到物理映射系统、ECC 和用于清除块的称为垃圾回收的过程都是理解和排名闪存功能和性能的相关机制。此域中的一个关键术语是写入放大因子或 WAF，它是从主机派生的用户数据与写入闪存设备的实际数据量之间的比率。降低 WAF（衡量闪存控制器效率的指标）是提高 SSD 耐用性的关键。影响 WAF 的工作负载因素包括顺序访问、顺序访问和随机访问之间的差异，或者相对于页面和数据块大小的数据块大小。必须满足两个基本条件：页面需要一个接一个地编写，块需要作为整个单元删除。在标准过程中，逻辑地址和物理地址之间的映射与块相关。这对于顺序数据非常有效，因为给定块的页面可以按顺序写入。这种机制的一个例子是连续积累的视频数据。但是，对于随机数据，页面被写入许多不同的块中，因此页面的每次内部覆盖都需要删除整个块。这会导致更高的 WAF 和更短的生存期。因此，基于页面的映射对于非顺序数据是优选的。换句话说，固件确保来自不同来源的数据可以按顺序写入单个块的页面。这减少了删除次数，从而延长了生存期并增强了写入性能。这种方法的缺点是它会导致闪存转换层（FTL）的分配表更大，尽管这可以通过集成的DRAM进行补偿。

另一个增加 WAF 的因素是内存使用率。闪存设备上存储的数据越多，固件从一个地方移动到另一个地方所需的位就越多。基于页面的映射在这里也是有利的。制造商还有另一种称为过度配置的调整机制（即仅保留用于后台活动的闪存设备的空间）可供他们使用。SSD的7%（千兆字节数字的二进制值和十进制值之间的差异）通常用于此目的。但是，为过度配置保留 12% 而不是 7% 是非常有效的。例如，从MLC NAND芯片衍生的两个相同SSD的耐久性比较（即企业工作负载的TBW）表明，60 GB Swissbit F-60硬脑膜比特的价值比同一公司的64位F-50设备高出6.6倍。实际上，对于240 GB和265 GB版本，该值要高出10倍。

结论和要问的九个关键问题

SLC闪存器件在很多方面都是工业应用以及断电保护的最稳健的解决方案。然而，在许多情况下，高端MLC闪存介质同样适用于此类目的。除了符合军用标准的机械性能外，在寻找SSD解决方案时，应特别注意制造商在通过固件减少WAF和延长产品使用寿命方面所付出的努力。其他起作用的因素是“数据维护管理”措施，以更好地保留，并且不要忘记已针对给定应用程序精心限定的模块的长期可用性。

应用程序要求决定了在选择 SSD 时需要特别注意哪些因素。根据要求，Swissbit为其客户提供终身监视器，该工具通过分析其读取和写入来计算给定SSD的耐用性。如前所述，即使价格不是决定因素，了解您是否真的需要八倍昂贵的SSD，或者MLC是否足以满足您的目的也很有用。

为工业应用选择闪存设备时要问的关键问题：

我对振动、阻力和温度范围有特定的物理要求吗？工业闪存器件应通过应用适当的鉴定工艺，能够证明材料质量的优良性和良好的生产加工性能。

内存存储是否长时间暴露在高温下？由于高温会更快地削弱电池的可读性，因此应选择具有数据维护功能的产品，该产品会定期刷新数据。

是否打算在很长一段时间内在数据载体上写入和存储大量数据？如果是这样，则应选择SLC产品。

应用程序是否主要需要读取访问权限？ –如果是，则应选择具有数据维护功能的产品，该产品会定期刷新数据。

应用程序是否主要需要写入功能？ –然后，具有基于块映射的产品适用于顺序写入功能。对于随机请求，应选择具有基于页面映射的产品。

内存的容量是否得到充分利用？对于密集型应用，控制器需要空间用于内部操作，而过度配置可能会延长耐用性。

提供商为 TBW 或 DWPD 指定了什么工作负载？只有通过指示工作负载基准才能对数据载体进行比较。

是否需要针对数据丢失提供更高级别的保护？对于特别关键的应用，数据维护管理和电源故障保护至关重要。

几年后，这种媒介还会可用吗？制造商应保证长期可用性，以便无需重新认证即可更换内存存储。

审核编辑：郭婷