2013 Flash 在工控領域的新技術與應用
- DIGITIMES企畫
-
次世代Flash記憶體品質與耐用度趨勢越來越往下，工控市場客戶往往只敢選用單價高昂的SLC記憶體，也使得工控應用上的SSD容量受到侷限；Flash SSD/DOM業者導入十倍於MLC耐用品質等級的iSLC記憶體技術，加上導入種種維護、監控SSD內部Flash在抹寫均勻度(Wear Leveling)、品質與穩定性的關鍵技術，使得MLC可以導入輕量級工控應用，而iSLC記憶體將成為工控應用的新寵…..
NAND Flash隨著製程進步，線路寬度與間距越來越細小，連帶影響到抹寫次數(P/E Cycles)的縮減。以SLC記憶體為例，從3x奈米製程(3xnm)時代的100,000次P/E Cycles，僅需4個ECC bit(錯誤即時修正位元)，到2x奈米製程時代的SLC，其P/E Cycles降到60,000次且需要ECC 24bit。
MLC Flash從早期5x奈米製程需要ECC 8bit、P/E cycles為10,000次，到3xnm MLC時P/E Cycles降到5,000次，ECC爆增到15bit；跨入2xnm MLC時P/E Cycles已降到3,000次，需要到ECC 24bit，2ynm MLC時，修正位元數更增加至ECC 40bit。
週邊儲存裝置的傳輸速率也不斷的提昇。2010年ONFI 2.0推進到133MB/s，eMMC v4.41傳輸速率為104MB/s；2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0規格，把Flash傳輸速率提昇到200MB/s，eMMC v4.5拉高到200MB/s；UFS 1.0傳輸速率為2.9Gbps，SATAⅡ規格到3Gbps(300MB/s)；2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s，UFS v2.0傳輸速率倍增為5.8Gbps，SATAⅢ則為6Gbps(600MB/s)；到2015年ONFI v4.x/Toggle v2.xx規格定義的傳輸速率增到800MB/s、1.6GB/s。
面對新世代Flash耐用度╱品質持續向下的種種挑戰
吳錫熙指出，使用MLC記憶體挑戰，在於持續增加的錯誤位元數，2ynm製程已經超過40個，在-40〜85℃寬溫環境下，其錯誤位元數還會增加；同時MLC在電源突然中斷循環測試(Power Cycling)下容易資料遺失，資料壽命會隨著P/E Cycles增加而縮短，以及16K分頁設計的MLC在做區塊回收(Garbage Collection)時會花費更多處理時間。
如果客戶評估想導入MLC於輕量級工控應用，除了需要有好的平均抹寫機制、內部監控工具之外，還要有其他輔助性的技術。
MLC會隨著P/E cycles抹寫次數的增加，錯誤位元會逐漸增加。依照宜鼎內部長期測試結果，以3xnm MLC為例，從1,000 P/E Cycles以內，平均只產生一個錯誤位元；經過20,000 P/E cycles後，錯誤位元數暴增了5倍。2xnm製程的MLC，在1,000 P/E cycles以下的平均錯誤位元數就已經是5，經過8,000次後增加到25；2ynm製程的MLC在1,000 P/E cycles時錯誤位元數3，8,000次時增加到34，到10,000次時增加到41個。
宜鼎提出Flash Correct-and-Refresh(FCR)技術，隨時讀取並監控錯誤位元發生率異常增加的MLC區塊，修正後搬移到其它儲存狀況較好的區塊後重新抹寫更新，可以改善Flash的使用壽命。宜鼎也對16KB分頁的MLC Flash，發展出更智慧的區塊回收(Garbage Collection)演算法，減少SSD做資料維護的延遲現象。
吳錫熙認為若要使用MLC記憶體時，可採用動態平均抹寫(Dynamic Wear-Leveling)技術，再搭配靜態平均抹寫(Static Wear-Leveling)，對於僅3,000次P/E Cycles的MLC來說尤其重要。像宜鼎(Innodisk)就提供一個iSMART工具程式，可以用點狀分佈圖方式，呈現出該SSD某一個區塊的寫入次數，以及整體Wear-Leveling效果，同時也能針對溫度與使用壽命做監控與預估，同時也能發揮監控效能以及預先警示功能。
而MLC在寫入資料時若突然發生斷電情況，萬一此時韌體正在進行寫入資料或區塊回收作業時，特別容易造成被寫入的記憶頁與相鄰記憶頁的連帶影響，甚至造成整個SSD資料遺失。因此好的SSD控制晶片需具備失效╱低電壓偵測電路，藉由偵測輸入電流發生壓降時，能迅速的將該寫完的記憶頁完成後，儲存必要的系統狀態旗號恢復且重新開機載入OS。
以iSLC提供低成本、高品質的工控應用
在一般商溫(0~70℃)的工控應用下，需要經常性的讀寫且要五年的品質保證，對於密集讀寫的重量級應用上，客戶往往只選訂SLC；但SLC與MLC價差快要五倍。因此宜鼎提出以iSLC記憶體解決方案來取代。
iSLC與既有SLC、MLC記憶體的差異，在於iSLC運用既有的低本的MLC記憶體製程技術，在每一個細胞電路單元，使用SLC讀寫技術(只儲存1個位元的電荷值)，Endurance因而提昇到30,000次P/E Cycles，介於SLC的60,000次與MLC的3,000次之間，成本雖然比MLC高，卻比SLC便宜一半。可應用在像是IPC/Kiosk/POS系統、嵌入式系統、伺服器主機板以及薄型終端機等。
他列出一張以相同2xnm製程的MLC與iSLC長期耐用度的測試圖表：MLC在連續寫20,000次後，產生錯誤位元數超過30；iSLC則是僅有6個，即便連續抹寫超過100,000次，產生錯誤位元數不超過10個，耐用度與品質媲美標準SLC製程的SLC記憶體。以32G容量SSD測試，每天寫滿32GB資料10次，MLC只能維持0.8年，舊製程(3xnm) SLC可以達到27.4年，新製程(2xnm) SLC可達16.4年，而2xnm製程的iSLC可達到7.6年。
宜鼎國際以iSLC快閃記憶體技術設計一系列產品，全為SATAⅡ介面設計：
型號2.5” SSD 2IE採8通道設計，容量32GB~256GB，循序讀寫速度為230、200MB/s；SATADOM-QVL 2IE以及SATADOM-QV 2IE則為4通道設計，容量8 ~ 64GB，循序讀寫速度為130、120MB/s；CFAST 2IE記憶卡一樣為4通道設計，容量8 ~ 64GB，循序讀寫速度為130、120MB/s。另外有mSATA 2IE的mSATA模組，Halfslim尺寸的SATA Slim 2IE，以及SATADOM QH 2IE模組，皆為SATAⅡ介面四通道設計，容量8 ~ 64GB，循序讀寫速度為130、120MB/s
嵌入式應用的SATAIII解決方案
吳錫熙接著介紹針對嵌入式工控應用的SATAIII產品解決方案。由宜鼎研發的
Innodisk ID167控制晶片，採四通道8CE設計，ECC資料修正能力為40bit/1KB；
搭配64Mx16bit的DDRⅢ記憶體做為緩衝讀寫區，同時在SATAⅢ的Slumber、DEVSEL模式下僅有33 mW、5mW的功耗。採ID167設計的SSD與mSATA模組，將於2013年第一季開始送樣。
Innodisk ID167搭配選用24/25nm製程的同步型(Sync)MLC Flash記憶體顆粒，
以IO Meter做效能實測，64GB(4CH)版本，其循序讀取╱寫入效能達480MB/s、270MB/s，持續性讀取╱寫入IOPS為80K、1K；128GB(4CH)版本的循序讀取╱寫入效能 520MB/s、350MB/s，持續性讀取╱寫入IOPS為80K、2K；256GB
(4CH)循序讀取╱寫入效能 550MB/s、400MB/s，持續性讀取╱寫入IOPS為80K、3K，表現算是相當出色。
跟工控應用為主流的128GB SLC SSD相比，CystalDiskMark v3.0實測結果，256GB MLC SATAIII SSD的循序讀取、寫入速度為519、344MB/s，而純SATAⅡ的128GB SLC SSD，循序讀取、寫入速度為253、190MB/s。在兩者成本相近情況下，256GB MLC SATAIII SSD比128GB SLC SATAⅡ SSD容量倍增、效能更快
宜鼎也提供有SSD單晶片模組，由Innodisk ID167控制晶片加上Flash矽晶圓封裝做COB封裝而成，32GB(4CH x 1CE)版本，其循序讀取、寫入速度為480、140MB/s。跟SATAII SLC的32GB SATADOM做CystalDiskMark v3.0效能實測，SATA III循序讀取、寫入速度為482、271MB/s；SATA II循序讀取、寫入速度為252、235MB/s。
（本文提供英譯版本，請按此連結閱讀英譯版本內容）
