MLC在工控上應用技術剖析

圖1，Flash製程與PE Cycle和ECC要求的關係圖。

固態硬碟(Solid State Drive；SSD)作為新興的儲存裝置型態，被業界熱烈討論已有數年之久，但早在1995年Compact Flash Card與後期DOM(Disk on Module)出現，其SLC Flash SSD省電、耐震、寬溫、高可靠度等優於硬碟的特性，早已應用在嚴苛環境下的工控市場與自動控制系統上。

MLC NAND Flash崛起

工業電腦少量、多樣、固定應用等特性，其大多嵌入式系統所需系統容量低於4GB，且近年來SATA介面的出現，將速度推到250MB/s 以上，早已超越一般傳統硬碟效能，2011年更有SATA6GHz 500MB/s的SSD。雖早期因SATA介面相關產品仍較傳統IDE介面產品昂貴，普遍應用仍以SSD高容量為主，也因此在CF Card 與PATA DOM的價格優勢下，SATA DOM在工控應用拓展率較慢。

現今CF Card/PATA DOM與既有SATADOM價格已無明顯落差，且SATADOM速度大幅領先PATA DOM數倍之譜，此外近年新的x86架構晶片組已不再不支援IDE介面，有足夠的理由與趨勢相信SATADOM將成為工控儲存設備的主流，再者，最新推出的SATA 6GHz與ONFI/Toggle NAND新製程NAND Flash的出現，高達300MB/s的SATADOM也即將出現。雖然ONFI/Toggle NAND與既有的MLC NAND目前仍有10~15%的價差，隨著ONFI/Toggle NAND應用多元與普及下，可預測其未來價差更趨接近。也因此伴隨著新科技與技術的導入，在嵌入式系統應用上將可使系統開機、程式讀取速度更為快速，大幅改善使用者經驗。

MLC NAND耐受度備受工控應用考驗

自MLC於2002年出現，2004年iPod大量採用下，挾著MLC與SLC價格落差優勢，近年來已慢慢在某些工控的應用出現，目前大多應用在少寫多讀的系統。 然而在NAND Flash製程進入2X奈米的時代，Program Erase Cycle(平均抹寫次數)也只剩下3,000次甚至更低。此外，在2X奈米的Flash需要24Bit/1KB的ECC Correction能力方能使用3,000次，但在更新的1x奈米製程則需要40Bit的ECC Correction能力，如圖1所示。

MLC的先天的製程與設計上，最大的致命傷便是可靠度與耐受度不佳，其最令人詬病的缺點是較容易產生Bit Error情況，需要更多的ECC Correction能力才能確保資料正確，與SLC比較下相對的不穩定，此外，因MLC NAND在電壓的容許差比SLC NAND小，MLC NAND Flash在使用越多次也會越容易有Error Bit的產生，相對的其Data retention(資料保存) 的時間也相對縮短，以上種種因素都需特別注意與設計，否則在作為一個以開機、資料儲存為主要目的性的工控產品，將有極大潛在的危險與損失。

MLC NAND長效資料保存潛在危險

在2X製成的MLC Flash只有5年的Data Retention，但當P/E Cycle到達3,000次後卻僅剩下1年，如圖2所示，這些都是因為Error Bit不斷增加所造成的，所以需要透過內部韌體與演算法進行Re-write(重新寫入)功能，此外礙於MLC NAND先天的不穩定性與不確定性，當發現資料已經是處於不穩的狀態時也需Re-write功能來將資料重新寫入，以確保資料完整無誤。

至於當到達3,000次時，Error Bit已經增加到20幾Bit，這個更需要透過演算法儘量讓P/E Cycle減少，避免PE Cycle 真的到達3,000次而造成Data Retention 大幅下滑。雖MLC NAND架構下的SSD 其價格有其優勢，但若如果其應用真的會超過3000次，且用演算法仍無法避免此問題，在此情況下將強烈建議避免採用MLC NAND Solution。

MLC NAND 寬溫應用的挑戰

大致而言，一般Flash僅支援0~70°C應用，但在工控仍有需多寬溫-40°C ~+80°C應用的需求，由於MLC NAND先天缺陷，寬溫MLC NAND會比SLC NAND更具有挑戰性，因為在極低？高溫底下Flash更顯不穩定，也會為系統帶來更多不確定與不穩定的危險，這個可以由Flash Error Bit的增加看得出來，在這樣的環境使用會使的SSD更為不穩定，同樣的也會使得Data Retention更為縮短。

全球各大晶片廠商為了降低成本，NAND Flash的製程一直往前進的趨勢下，使得Flash的Error Bit越來越嚴重，同樣也帶來了Data Retention 的問題，Error Correction Code需求也越來越多Bit，1個Correct越多Bit的ECC Engine也可以幫忙解決此問題。所以，在SATA Controller的設計上，首先就需有寬溫與強大的ECC Engine能力，再者就是Flash本身也需具有寬溫的能力，整體而言，絕大多數問題大多聚集在MLC NAND的穩定性上較多。

MLC SSD致勝關鍵　量身訂做　全面性驗證能力

由前述提到的各項MLC設計要點與產品應用風險，可發現影響SSD品質穩定度的因素不勝枚舉，也因此更需量身訂做並透過完整仔細的驗證以確保SSD的效能及可靠性。不僅能及早發現其潛在問題與瑕疵，更能進一步從中歸納出可能的問題肇因，再從源頭的設計面作改進與優化。

宜鼎在工控、寬溫的MLC NAND已投入多年的研究，也徹底解決寬溫MLC NAND於工控上所需要克服的問題點。選擇適合的MLC NAND、工控寬溫設計，生產高低溫驗證測試等以確保寬溫產品無使用之虞。此外，宜鼎更在率先同業在SSD上加入溫度感測機制，監控產品溫度變化並作最佳化處理，更讓產品穩定度與耐用性大幅提升。