Používají TLC nand flash paměť. Špatné bloky v obrazu NAND. NAND a NOR: co jsou a čím se jedí

NAND a NOR: co jsou a čím se jedí

Myslím, že mnozí, kteří četli ve zprávách o flash paměti, narazili na podivné zneužívající zkratky jako NOR a NAND. Zároveň zpravidla nebylo poskytnuto žádné dekódování významů a s největší pravděpodobností pro ně nenajdete žádné vysvětlení. Pokusme se vnést do této problematiky alespoň trochu jasno.

Zkratky NOR a NAND tedy označují typ logického hradla použitého v dané jednotce flash paměti. NOR znamená bránu NOR a NAND znamená NOT AND. Ale protože vám teď nechci číst kurz booleovské algebry a základů digitální logiky, které navíc nepotřebujete, zaměříme se pouze na výsledky použití těchto technologií.
Hlavní funkcí flash disků je ukládání informací. A odtud pochází první rozdíl: hustoty záznamu dosažené dnes pro technologii NAND převyšují hustoty dosažené v NOR a rozdíl se měří v řádech. A požadavky na uložení velkých objemů a kompaktnost jednoznačně určují technologii použité flash paměti. To však není jediné kritérium. Neméně důležitá je schopnost provádět zapsaný programový kód v paměti, tzn. tzv. XIP Capability (XIP - eXecute In Place). Tato možnost existuje v technologii NOR a chybí v NAND. Ukazuje se, že hlavním účelem paměti vyrobené pomocí technologie NAND je ukládat data a u technologie NOR je ukládat spustitelný programový kód a v menší míře i data (což je dáno nejen malým dostupným objemem – se k tomu vrátím o něco později).

Flash zařízení jsou rozdělena do částí nazývaných bloky. To musí být provedeno pro překonání určitých fyzických omezení az cenových důvodů. Konkrétní blok lze zapsat do libovolného flash zařízení, pouze pokud je tento blok prázdný nebo vymazaný. Ve většině případů se ukáže, že operaci zápisu musí předcházet operace mazání. A pokud v zařízeních NAND lze operaci vymazání bloku provést okamžitě, pak v zařízeních NOR je nutné nejprve nastavit všechny bajty bloku na nulu. Je třeba také říci, že typická velikost bloku v zařízeních NOR je 64 nebo 128 KB (8-32 KB pro NAND), což v kombinaci s již tak nízkými rychlostmi flash vede k tomu, že operace zápisu a mazání mohou zabrat na několik sekund. To je limitující faktor při použití NOR flash jako média pro ukládání dat. A jeho použití pro ukládání spustitelného kódu je možné, pokud vám to vyhovuje z hlediska výkonu – požadavky by neměly být vysoké. Doba vymazání paměti NAND se měří v milisekundách a je prvního řádu. A malá velikost bloku v případě nepříznivých vnějších podmínek zaručuje ztrátu minimálního množství dat. Shrneme-li tedy tento odstavec: Operace čtení NOR jsou o něco rychlejší než NAND; operace zápisu jsou naopak pro NAND rychlejší a výrazně; Vzhledem k malé velikosti bloku NAND vyžaduje méně mazání za jednotku času (což, jak uvidíme dále, může také prodloužit jeho životnost v zařízení), které provádí přibližně o tři řády rychleji než NOR.

NOR flash je paměťové zařízení s náhodným přístupem. Čipy NOR mají rozhraní, které umožňuje adresování a snadný přístup ke každému jednotlivému bajtu. I/O rozhraní paměťového zařízení NAND je mnohem složitější a liší se zařízení od zařízení a vývojář od vývojáře. Stejné piny (často jich je 8) se používají pro přenos řídicích signálů, adres a dat. V NAND flash se navíc přístup provádí v blocích po 512 bytech, tzn. Na jeden přístup se čte nebo zapisuje 512 bajtů. Přístup ke každému bloku je náhodný, ale protože není možné přistupovat k jedinému bytu, paměť NAND není v určitém smyslu pamětí s náhodným přístupem. Každý bajt z 512bajtového bloku je vydáván na paměťovou sběrnici postupně, takže je vhodné hovořit o sekvenčním přístupu. Což je to, co dělají. Nebo o paměti s organizací stránek. Nyní je jasnější, proč je NOR vhodnější pro ukládání a spouštění programů a NAND je vhodnější pro ukládání dat.
Obvod NAND paměťové buňky je jednodušší: má menší velikost ve srovnání s NOR, a to tedy vede ke zvýšené hustotě záznamu, snížené spotřebě energie a nižším výrobním nákladům.

Žádná technologie však nemůže mít pouze pozitivní stránky. V tomto smyslu není NAND také výjimkou. Jako u každé jednotky jsou možné náhodné chyby čtení a poškození jednotky jako celku. U flash paměťových zařízení je důležité mluvit o bezchybném čtení, zpracování špatných bloků a počtu cyklů čtení/zápisu. Jev chybného odečítání bitů (tzv. bit-flipping) je typičtější pro paměti NAND než pro NOR. Poškození způsobené jedním chybným bitem je určeno datovým typem, ke kterému patří. Takže pro multimediální data se to ukáže jako nevýznamné, ale taková chyba v kódu programu nebo kritických datech může vést k velmi tragickým výsledkům. Jak jsem již řekl, tento jev je pro paměti NOR méně typický a paměti založené na technologiích NAND vyžadují použití nějakého dalšího mechanismu pro detekci a opravu chyb.

Technologie výroby paměti NAND jsou stále nedokonalé a zpočátku paměť obsahuje určité množství nefunkčních prvků. Vzhledem k tomu, že v NAND je skupina úložných buněk spojena do bloku, poškozená buňka v bloku vede k nefunkčnosti bloku jako celku, tzn. ukazuje se, že je to špatný blok. Proto je nutné sledovat stav bloků a používat pouze funkční, což je mnohem snazší než vyrábět paměť, která absolutně neobsahuje špatné stránky: taková výroba se ukazuje jako velmi nákladná (podobná situace se stala např. LCD panely najednou). Z pochopitelných důvodů není tento typ vady pro NOR typický.

Životnost flash čipů je vyjádřena minimálním a maximálním možným počtem mazacích cyklů pro každý jednotlivý blok (a už víme, že každý zápis bloku je nutně doprovázen jeho předběžným vymazáním). Pro paměti založené na technologiích NOR je to 10 000, respektive 100 000 cyklů, pro NAND - 100 000 a 1 000 000 cyklů. Vše je velmi jednoduché a není co komentovat.
Použití paměti NOR je poměrně jednoduché. Nevyžaduje žádné další ovladače a lze jej jednoduše nainstalovat a používat. NAND je složitější, protože různí výrobci používají různá rozhraní a s největší pravděpodobností bude vyžadovat ovladač. Navzdory skutečnosti, že paměť NAND má mnoho výhod, neměli byste si myslet, že NOR je věcí včerejška. Paměť NOR se dnes používá v mnoha zařízeních, která nevyžadují velké objemy a nejsou kritická pro výkon. NAND nachází uplatnění v těch oblastech, kde je větší složitost aplikace odůvodněna velkými dostupnými objemy a výkonem.

Na základě materiálů od společností vyrábějících blesky
M-Systems, Samsung atd.

Potřeba energeticky nezávislé flash paměti roste úměrně s pokrokem počítačových systémů v oblasti mobilních aplikací. Spolehlivost, nízká spotřeba, malé rozměry a nízká hmotnost jsou zřejmé výhody médií založených na flash paměti ve srovnání s diskovými jednotkami. Vzhledem k neustálému poklesu nákladů na ukládání jednotky informace ve flash paměti poskytují média na nich založená stále více výhod a funkcí mobilním platformám a přenosným zařízením, které takovou paměť využívají. Mezi různými typy pamětí je flash paměť založená na buňkách NAND nejvhodnějším základem pro vytváření energeticky nezávislých úložných zařízení pro velké množství informací.

V současné době existují dvě hlavní struktury pro konstrukci flash paměti: paměť založená na buňkách NOR a NAND. Struktura NOR (obr. 1) se skládá z paralelně propojených buněk pro ukládání elementárních informací. Tato organizace buněk poskytuje možnost náhodného přístupu k datům a zaznamenávání informací bajt po bajtu. Struktura NAND (obr. 2) je založena na principu sekvenčního spojování elementárních buněk, které tvoří skupiny (jedna skupina má 16 buněk), které se spojují do stránek a stránek do bloků. S touto konstrukcí paměťového pole je přístup k jednotlivým buňkám nemožný. Programování se provádí současně pouze v rámci jedné stránky a při mazání se přistupuje k blokům nebo skupinám bloků.

Obr.1 Struktura NOR	Obr.2 Struktura NAND

V důsledku toho se rozdíly ve strukturní organizaci mezi pamětmi NOR a NAND promítají do jejich charakteristik. Při práci s relativně velkým množstvím dat jsou procesy zápisu/mazání v paměti NAND prováděny mnohem rychleji než v paměti NOR. Vzhledem k tomu, že 16 sousedních paměťových buněk NAND je zapojeno do série bez jakýchkoli kontaktních mezer, je dosaženo velké plochy buněk na čipu, což umožňuje vysokou kapacitu při stejných technologických standardech. Jádrem programování NAND flash pamětí je proces elektronového tunelování. A protože se používá jak pro programování, tak pro mazání, je dosaženo nízké spotřeby paměťového čipu. Struktura sekvenční buňky umožňuje vysoký stupeň škálovatelnosti, díky čemuž je NAND flash lídrem v závodě o zvýšení kapacity paměti. Protože k tunelování elektronů dochází v celé oblasti kanálu buňky, NAND flash má nižší rychlost zachycení náboje na jednotku plochy než jiné technologie flash paměti, což má za následek vyšší počet cyklů programování/mazání. Programování a čtení se provádí sektor po sektoru nebo stránku po stránce v 512bajtových blocích, aby se emulovala běžná velikost sektoru diskových jednotek.

Hlavní rozdíly v parametrech flash pamětí vyráběných různými technologiemi jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Srovnávací charakteristiky paměťových modulů založených na buňkách NAND a NOR

Parametr	NAND	ANI
Kapacita	~ 1 Gbit (2 krystaly v pouzdře)	~ 128 Mbit
Napájecí napětí	2,7 – 3,6 V	2,3 – 3,6 V
Vstup výstup	x8 / x16	x8 / x16
Doba přístupu	50 nS (cyklus sekvenčního přístupu) 25 µS (náhodný přístup)	70 nS (30 pF, 2,3 V) 65 nS (30 pF, 2,7 V)
Rychlost programování (typická)	- 200 uS / 512 bajtů	8 µS/byte 4,1 mS / 512 bajtů
Rychlost mazání (typické)	2 mS/blok (16 kB)	700 mS/blok
Souhrnná rychlost programování a mazání (typické)	33,6 mS / 64 kB	1,23 s/blok (hlavní: 64 kB)

Vedoucím lídrem ve výrobě NAND flash čipů je Hynix. Vyrábí několik typů paměťových čipů, které se liší v následujících klíčových parametrech:

• kapacita (256 Mbit, 512 Mbit a 1 Gbit);
• šířka sběrnice, 8 nebo 16 bitů (x8, x16);
• napájecí napětí: od 2,7 do 3,6 V (3,3 V zařízení) nebo od 1,7 do 1,95 V (1,8 V zařízení);
• velikost stránky: v x8 zařízeních (512 + 16 náhradních) bajtech, v 16x – (256 + 8 náhradních) slov;
• velikost bloku: v x8 zařízeních (16K + 512 náhradních) bytů, v 16x – (8K + 256 náhradních) slov;
• přístupová doba: náhodný přístup 12 μS, sekvenční 50 nS;
• čas programování stránky 200 µS;

Všechny flash čipy NAND od Hynixu mají typickou dobu vymazání bloku 2 mS, mají hardwarovou ochranu dat během přechodových jevů napájení a mohou provést 100 000 cyklů zápisu/vymazání. Garantovaná doba uchování dat je 10 let. Důležitou vlastností paměťových čipů Hynix je jejich pin-to-pin kompatibilita bez ohledu na kapacitu. Díky tomu je velmi snadné zlepšit spotřebitelské vlastnosti konečného produktu. V tabulce 2 jsou uvedeny základní parametry všech flash čipů Hynix NAND.

Tabulka 2. Srovnávací seznam NAND flash čipů od Hynixu

O	Typ	Organizace	Napětí výživa	Rozsah pracovníků teploty *	Rychlost (ns)	Rám
256 Mbit		32Mx8	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx8	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
512 Mbit		64Mx8	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx8	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
1Gb		128Mx8	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1,8V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3,3 V	C, E, I	50	TSOP/WSOP/FBGA

* - Teplotní rozsahy
C- Rozsah provozních teplot 0...+70°C
E- Rozšířený rozsah provozních teplot -25...+85°C
já- Rozsah průmyslových provozních teplot -40...+85°C

Vlastnosti paměťových čipů Hynix lze podrobněji prozkoumat na příkladu krystalů řady HY27xx(08/16)1G1M. Obrázek 3 ukazuje vnitřní strukturu a účel svorek těchto zařízení. Adresové linky jsou multiplexovány s datovými I/O linkami na 8 nebo 16bitové I/O sběrnici. Toto rozhraní snižuje počet použitých pinů a umožňuje přejít na čipy s vyšší kapacitou bez výměny desky plošných spojů. Každý blok lze naprogramovat a vymazat 100 000krát. Pro prodloužení životního cyklu NAND flash zařízení se důrazně doporučuje používat kód pro opravu chyb (ECC). Čipy mají výstup pro čtení/zaneprázdnění s otevřeným odtokem, který lze použít k identifikaci aktivity řadiče PER (Program/Erase/Read). Protože výstup je open-drain, je možné propojit několik takových výstupů z různých paměťových čipů dohromady přes jeden pull-up rezistor na kladnou svorku zdroje.

Obr.3 Vnitřní organizace flash čipů Hynix NAND

Pro optimální práci s vadnými bloky je k dispozici příkaz „Copy Back“. Pokud se naprogramování stránky nezdaří, lze data z tohoto příkazu zapsat na jinou stránku, aniž by bylo nutné je znovu odesílat.

Paměťové čipy Hynix jsou k dispozici v následujících balíčcích:

• 48-TSOP1 (12x20x1,2 mm) – obr. 4;
• 48-WSOP1 (12x12x0,7 mm)
• 63-FBGA (8,5x15x1,2 mm, kontaktní pole 6x8 kuliček, rozteč 0,8 mm)

Obr.4 Hynix NAND flash

Paměťové pole NAND je organizováno do bloků, z nichž každý obsahuje 32 stránek. Pole je rozděleno na dvě oblasti: hlavní a náhradní (obr. 5). Hlavní oblast pole se používá k ukládání dat, zatímco náhradní oblast se obvykle používá k ukládání kódů opravy chyb (ECC), příznaků programu a ID chybných bloků hlavní oblasti. Na zařízeních x8 jsou stránky v hlavní oblasti rozděleny na dvě půlstránky, každá o velikosti 256 bajtů, plus 16 bajtů náhradní oblasti. Na zařízeních x16 jsou stránky rozděleny na hlavní oblast 256 slov a náhradní oblast 8 slov.

Obr.5 Organizace paměťového pole NAND

Zařízení NAND flash se stránkami o velikosti 528 bajtů/264 slov mohou obsahovat špatné bloky, které mohou obsahovat jednu nebo více mrtvých buněk, u nichž není zaručena spolehlivost. Kromě toho se během provozu produktu mohou objevit další nepoužitelné bloky. Informace o špatných blocích se před odesláním zapisují do krystalu. Práce s takovými bloky se provádí podle postupu podrobně popsaného v referenční příručce pro paměťové čipy Hynix.

Při práci s paměťovými čipy se provádějí tři hlavní úkony: čtení (obr. 6), zápis (obr. 7) a mazání (obr. 8).

Postup čtení dat

Obr.6 Schéma postupu čtení

Procedury pro čtení dat z paměti NAND mohou být tří typů: náhodné čtení, čtení stránky a sekvenční čtení řádků. Při náhodném čtení je k získání jednoho údaje potřeba samostatný příkaz.

Stránka je přečtena po náhodném přístupu pro čtení, který přenese obsah stránky do vyrovnávací paměti stránky. Dokončení přenosu je indikováno vysokou úrovní na výstupu Read/Busy. Data lze číst sekvenčně (od zvolené adresy sloupce po poslední sloupec) pulzním signálem na Read Enable (RE).

Režim sekvenčního čtení řádků je aktivní, pokud vstup Chip Enable (CE) zůstává nízký a vstup Read Enable pulzuje po přečtení posledního sloupce stránky. V tomto případě se další stránka automaticky načte do vyrovnávací paměti stránek a operace čtení pokračuje. Operaci sekvenčního čtení řádku lze použít pouze v rámci bloku. Pokud je blok změněn, musí být vydán nový příkaz čtení.

Postup záznamu dat

Obr.7 Schéma postupu záznamu

Standardním postupem pro záznam dat je záznam stránky. Hlavní oblast paměťového pole se programuje po stránkách, ale je možné naprogramovat část stránky s požadovaným počtem bajtů (od 1 do 528) nebo slov (od 1 do 264). Maximální počet po sobě jdoucích záznamů částí stejné stránky není více než jeden v hlavní oblasti a ne více než dva v oblasti zálohy. Jakmile jsou tyto hodnoty překročeny, musí být před každým dalším programováním dané stránky proveden příkaz k vymazání bloku. Každá programovací operace se skládá z pěti kroků:

1. K nastavení příkazu pro zápis stránky je zapotřebí jeden cyklus sběrnice.
2. K přenosu adresy jsou zapotřebí čtyři cykly sběrnice.
3. Výstup dat na sběrnici (až 528 bajtů / 264 slov) a načítání do vyrovnávací paměti stránky.
4. K vydání potvrzovacího příkazu ke spuštění řadiče PER je zapotřebí jeden cyklus sběrnice.
5. Řadič PER zapisuje data do pole.

Postup mazání bloku

Obr.8 Schéma postupu mazání

Operace mazání se provádí vždy po jednom bloku. V důsledku jeho činnosti jsou všechny bity ve specifikovaném bloku nastaveny na „1“. Všechna předchozí data jsou ztracena. Operace mazání se skládá ze tří kroků (obr. 8):

1. K nastavení příkazu vymazání bloku je zapotřebí jeden cyklus sběrnice.
2. K nastavení adresy bloku jsou potřeba pouze tři cykly sběrnice. První smyčka (A0-A7) není vyžadována, protože platné jsou pouze adresy A14 až A26 (nejvyšší adresy), A9-A13 jsou ignorovány.
3. K vydání potvrzovacího příkazu ke spuštění řadiče PER je zapotřebí jeden cyklus sběrnice.

Paměťové čipy NAND vyrábí kromě Hynixu i několik dalších výrobců, z nichž Samsung má velmi široký sortiment a objem prodeje. Vyrábí dvě základní řady paměťových čipů NAND Flash a One NAND™. Paměťové moduly řady One NAND™ jsou jednovrstvé paměti se standardním NOR-flash rozhraním založeným na poli NAND-flash buněk.

Sortiment produktů vyráběných společností Samsung je širší než sortiment Hynixu. Prezentovány jsou moduly s kapacitami od 4 Mbit do 8 Gbit, které pracují v komerčních a průmyslových teplotních rozsazích. K dispozici jsou 8bitové i 16bitové modifikace pro různé rozsahy napájecího napětí: 1,65...1,95 V nebo 2,7...3,6 V. Produkty Samsung mají pokročilé možnosti hardwarové ochrany dat: ochrana proti zápisu pro BootRAM, ochranný režim pro pole Flash a ochranu proti náhodnému zápisu při zapnutí a vypnutí.

Jinak je design paměťových čipů Hynix a produktů rodiny Samsung NAND Flash téměř totožný. V této situaci je preferovanou možností spotřebitele produkt výrobce, jehož tržní cena je nejpřijatelnější.

Vysoký výkon při čtení sériových datových toků určuje široký rozsah použitelnosti NAND flash. Velmi oblíbeným a perspektivním trhem pro tento typ pamětí je trh SSD pro USB sběrnici. Tabulka 3 ukazuje možnosti aktuálně vyráběných NAND flash čipů v této oblasti. Navíc nejvýnosnější využití takové paměti je v MP3 přehrávačích, digitálních fotoaparátech, kapesních počítačích a dalších podobných zařízeních.

Tabulka 3. Výhody a nevýhody použití NAND flash v jednotkách SSD

Kategorie		Obsah
Možnosti	Výhody	Datové úložiště, které lze přenášet přes USB
		Malá velikost, snadné vytváření přenosných zařízení
		Bez omezení paměti
		Bezpečné úložiště dat, fyzicky spolehlivější ve srovnání s HDD
		Hot Plug&Play podpora
		Rychlá přenosová rychlost: USB 1.1: maximálně 12 Mbaud, USB 2.0: maximálně 480 Mbaud
		Vynikající kompatibilita se standardizovaným rozhraním USB
		Možnost napájení z USB portu (500 mA, 4,5…5,5 V)
	Nedostatky	Potřeba softwaru v operačním systému hostitelského řadiče
		Vyžaduje USB Host Chipset
		Vysoká cena ve srovnání s HDD se srovnatelnou kapacitou
Kapacita produktu		Od 16 Mbit do 8 Gbit
Rychlost přenosu	Záznam	Až 13 Mb/s pod USB 2.0 pro CF kartu od SanDisk
	Čtení	Až 15 Mb/s pod USB 2.0 od SanDisk
aplikace		PC (stolní počítač, notebook), DVC, PDA, mobilní telefony atd.
Přední výrobci používající flash paměti		M-Systems, Lexar Media, SanDisk atd.
Asociace		USB-IF (USB Designers Forum), UTMA (Universal Transportable Memory Association)

Na našich webových stránkách nadále diskutujeme o designu a principu fungování úložných zařízení. Minule jsme probírali Flash paměti (), a dnes se zaměříme na jeden z typů již zmíněných Flash pamětí, a to paměti NAND. Již jsme částečně přišli na strukturu a fungování NAND, takže pojďme zvážit základní algoritmy, způsoby připojení a některé jemnosti, na které bychom při práci s NAND neměli zapomínat.

Začněme tím, že se podíváme na dva typy paměti NAND – konkrétně SLC-( jednoúrovňová buňka) a MLC-( víceúrovňová buňka) zařízení. V zařízeních SLC je v jedné paměťové buňce uložen jeden bit informace – přesně taková zařízení jsme probírali v předchozím článku. Jsou možné pouze dva stavy paměťové buňky (tranzistor s plovoucím hradlovým polem). První stav odpovídá nabité bráně a druhý tedy vybité. Zde je vše jednoduché - aplikujeme prahové napětí a podle přítomnosti nebo nepřítomnosti mozkového proudu můžeme určit, který bit je zapsán do dané paměťové buňky.

Zařízení MLC se liší tím, že do jedné základní buňky lze uložit několik bitů informací, nejčastěji dva bity. V takových zařízeních jsou 4 úrovně nabití plovoucí brány, což odpovídá 4 možným uloženým stavům:

Pro čtení informací z takové buňky je na rozdíl od SLC zařízení nutné sledovat odběrový proud při několika různých hodnotách prahového napětí na hradle tranzistoru.

Paměť MLC má ve srovnání s SLC menší počet maximálních možných přepisovacích cyklů. SLC je navíc rychlejší – to znamená, že operace čtení/zápisu/mazání jsou dokončeny za kratší dobu. A protože se k určení stavu paměťové buňky používá pouze jeden práh napětí, je u SLC paměti méně pravděpodobné, že způsobí chyby. To ale neznamená, že MLC je horší. Paměť MLC za prvé umožňuje uložit více informací a za druhé je levnější. To znamená, že z hlediska poměru cena/kvalita se MLC v zásadě jeví jako výhodnější.

Přejděme ke struktuře paměti NAND 😉

Jak si pamatujeme, na rozdíl od paměti NOR při použití NAND nemáme přístup k libovolné paměťové buňce. Všechny buňky jsou sloučeny do stránek. A stránky jsou spojeny do logických bloků. Každá stránka kromě informací uložených uživatelem obsahuje některá další data - informace o „špatných“ blocích, další servisní informace pro opravu chyb.

Potíž s NAND spočívá v tom, že není možné získat přístup k žádné konkrétní buňce informací. Záznam dat lze provádět pouze stránku po stránce, to znamená, že pokud chceme změnit nějaký bit, musíme přepsat celou stránku. A data můžete mazat pouze v blocích. Zde jsou charakteristiky paměťového čipu NAND NAND128W3A jako příklad: velikost stránky – 512 bajtů + 16 bajtů doplňkových servisních informací, velikost bloku – 16 kB, tedy 32 stránek.

Dalším problémem NAND je, že počet cyklů zápisu není nekonečný. Pokud jsou tedy zápisy vždy prováděny na stejnou stránku, dříve nebo později dojde k jejímu poškození. A aby bylo zajištěno rovnoměrné opotřebení všech paměťových buněk, řadič paměti NAND sleduje počet cyklů zápisu do každého jednotlivého paměťového bloku. Pokud regulátor zjistí, že blok je „špatný“, může jej přeskočit a zapsat do dalšího bloku. Díky tomu se výrazně zvyšuje životnost paměťových médií. Pokud chceme zapsat velké pole dat, pak se uvnitř paměťového čipu všechna data smíchají do bloků (algoritmus zápisu pracuje v nejméně opotřebovaných blocích), a když vyvstane úkol číst tato data, řadič paměti NAND data uspořádá a poskytne nám je v původní podobě.

Vyřešili jsme strukturu a nakonec bych chtěl trochu mluvit o tom, jak jsou připojeny paměťové čipy NAND.

A k tomu se používá sběrnice pro paralelní přenos dat Šířka sběrnice je 8 nebo 16 bajtů, v závislosti na konkrétním zařízení. Datové linky jsou kombinovány s adresními linkami, což snižuje počet obsazených pinů. Ovládací signály a jejich účel jsou dobře popsány zde:

Pokud chceme paměť připojit k mikrokontroléru, pak je nejlepší zvolit takový řadič, který má hardwarovou podporu přenosu dat přes paralelní rozhraní. Mnoho STM32 je například vybaveno modulem FSMC, který umožňuje připojení externího paměťového zařízení. Tomu se teď ale nebudeme vrtat, je lepší si toto téma nechat na budoucí články 😉 Snad se v blízké budoucnosti pokusíme postavit malý příklad pro STM32, ve kterém budeme zapisovat a číst data z NAND paměti, takže; brzy se uvidíme! )

Výkon a životnost SSD závisí především na NAND flash paměti a firmwaru řadiče. Jsou hlavními složkami ceny pohonu a je logické věnovat jim pozornost při nákupu. Dnes budeme mluvit o NAND.

Pokud si přejete, můžete najít složitosti technologického procesu výroby flash paměti na stránkách specializovaných na recenze SSD. Můj článek je zaměřen na širší okruh čtenářů a má dva cíle:

1. Zvedněte závoj nad vágními specifikacemi zveřejněnými na stránkách výrobců a obchodů SSD.
2. Vyřešte otázky, které můžete mít při studiu technických charakteristik paměti různých jednotek a čtení recenzí napsaných pro hardwarové nadšence.

Pro začátek uvedu problém pomocí obrázků.

Co naznačují specifikace SSD?

Technické specifikace NAND zveřejněné na oficiálních stránkách výrobců a v internetových obchodech ne vždy obsahují podrobné informace. Navíc se terminologie velmi liší a sestavil jsem pro vás data o pěti různých jednotkách.

Říká vám něco tento obrázek?

Dobře, řekněme, že Yandex.Market není nejspolehlivějším zdrojem informací. Pojďme na stránky výrobců – stalo se to jednodušší?

Možná to takto bude jasnější?

A pokud ano?

Nebo je to takhle lepší?

Mezitím mají všechny tyto disky nainstalovanou stejnou paměť! Je těžké tomu uvěřit, zvláště při pohledu na poslední dva obrázky, že? Po přečtení zápisu do konce se o tom nejen přesvědčíte, ale přečtete si i takové charakteristiky jako otevřenou knihu.

Výrobci pamětí NAND

Výrobců flash pamětí je mnohem méně než společností prodávajících SSD pod vlastními značkami. Většina disků má nyní paměť z:

• Intel / Micron
• Hynix
• Samsung
• Toshiba/SanDisk

Není náhodou, že Intel a Micron sdílejí stejné místo na seznamu. Vyrábí NAND pomocí stejných technologií v rámci společného podniku IMFT.

V předním závodě v americkém státě Utah se stejná paměť vyrábí pod značkami těchto dvou společností v téměř stejném poměru. Z montážní linky závodu v Singapuru, který je nyní řízen společností Micron, se paměti mohou dostat i pod značku její dceřiné společnosti SpecTek.

Všichni výrobci SSD nakupují NAND od výše uvedených společností, takže různé disky mohou mít prakticky stejnou paměť, i když je jejich značka odlišná.

Zdálo by se, že v této situaci s pamětí by mělo být vše jednoduché. Existuje však několik typů NAND, které jsou zase rozděleny podle různých parametrů, což způsobuje zmatek.

Typy paměti NAND: SLC, MLC a TLC

Jedná se o tři různé typy NAND, přičemž hlavním technologickým rozdílem mezi nimi je počet bitů uložených v paměťové buňce.

SLC je nejstarší ze tří technologií a je nepravděpodobné, že byste našli moderní SSD s takovou NAND. Většina disků nyní obsahuje MLC a TLC je nové slovo na trhu s paměťmi pro SSD.

Obecně se TLC dlouho používá v USB flash discích, kde výdrž paměti nemá praktický význam. Nové technologické postupy umožňují snížit náklady na jeden gigabajt TLC NAND u SSD disků, poskytují přijatelný výkon a životnost, což je logické pro všechny výrobce.

Je zajímavé, že i když je široká veřejnost znepokojena omezeným počtem cyklů zápisu SSD disků, s vývojem technologií NAND se tento parametr pouze snižuje!

Jak určit konkrétní typ paměti na SSD

Bez ohledu na to, zda jste si zakoupili SSD nebo nákup teprve plánujete, po přečtení tohoto příspěvku můžete mít v podtitulu otázku.

Žádný program nezobrazuje typ paměti. Tyto informace lze nalézt v recenzích disků, ale existuje zkratka, zvláště když potřebujete porovnat několik kandidátů na nákup.

Na specializovaných stránkách najdete databáze na SSD a zde je příklad.

Bez problémů jsem tam zjistil paměťové charakteristiky svých disků, s výjimkou SanDisku P4 (mSATA) nainstalovaného v tabletu.

Které SSD mají nejlepší paměť?

Pojďme si nejprve projít hlavní body článku:

• Výrobci NAND se dají spočítat na prstech jedné ruky
• Moderní disky SSD používají dva typy NAND: MLC a TLC, které teprve nabývají na síle
• MLC NAND se liší v rozhraních: ONFi (Intel, Micron) a Toggle Mode (Samsung, Toshiba)
• ONFi MLC NAND se dělí na asynchronní (levnější a pomalejší) a synchronní (dražší a rychlejší)
• Výrobci SSD používají paměti různých rozhraní a typů a vytvářejí rozmanitou škálu modelů vyhovujících každému rozpočtu
• Oficiální specifikace zřídka obsahují konkrétní informace, ale databáze SSD vám umožní přesně určit typ NAND

V takové zoologické zahradě samozřejmě nemůže být jasná odpověď na otázku položenou v podtitulu. Bez ohledu na značku disku NAND uvedené specifikace splňuje, jinak nemá smysl ho kupovat OEM výrobci (na SSD dávají vlastní záruku).

Nicméně... představte si, že vás léto potěšilo nebývalou úrodou jahod na dači!

Je to všechno šťavnaté a sladké, ale vy toho prostě nemůžete tolik sníst, a tak jste se rozhodli prodat některé bobule, které jste nasbírali.

Necháte si ty nejlepší jahody pro sebe nebo je dáte do prodeje? :)

Dá se předpokládat, že výrobci NAND instalují do svých disků nejlepší paměti. Vzhledem k omezenému počtu společností vyrábějících NAND je seznam výrobců SSD ještě kratší:

• Crucial (oddělení Micronu)
• Intel
• Samsung

Opět je to jen odhad a nepodložený tvrdými fakty. Ale jednali byste jinak, kdybyste byli těmito společnostmi?

#Chip_type #3D_MLC_(Multi_Level_Cell) MLC_(Multi_Level_Cell) #3D_TLC_(Triple_Level_Cell) #TLC_(Triple_Level_Cell)

V moderních SSD jsou tři nejběžnější typy paměťových čipů: SLC, MLC a TLC.

SLC - Single Level Cell - buňka s jednou úrovní. Má vysoký výkon, nízkou spotřebu energie, nejvyšší rychlost a množství záznamu. Tento typ paměti se obvykle používá na špičkových serverech, protože náklady jsou vysoké.

MLC - Multi Level Cell - buňka s několika úrovněmi. Má nižší náklady ve srovnání s SLC, ale má menší výdrž a menší množství. Je to dobré řešení pro komerční a pracovní plošiny - má dobrý poměr cena/rychlost.

EMLC – Enterprise Multi Level Cell – buňka podobnou strukturou běžnému MLC, ale se zvýšeným zdrojem. Z hlediska spolehlivosti je eMLC mezi SLC a MLC, přičemž cena není o moc vyšší než u druhého jmenovaného. Typickými aplikacemi jsou pracovní stanice a servery střední třídy.

TLC - Three Level Cell - buňka se třemi úrovněmi. Má vyšší hustotu, ale nižší výdrž, pomalou rychlost čtení a zápisu a menší množství ve srovnání s SLC a MLC. Doposud se TLC paměť používala především ve flash discích (flash discích), ale vylepšení výrobních technologií umožnilo její použití i ve standardních SSD.

Všechny výše popsané typy paměťových buněk jsou planárního typu, tedy 2D. Jejich nevýhodou je, že pro zvýšení hustoty v každém jednotlivém čipu je nutné snížit technický proces a vzhledem k řadě fyzických omezení to nebude možné donekonečna. K překonání tohoto problému byly vyvinuty 3D paměťové buňky. Takové buňky jsou reprezentovány válcem:

To umožňuje umístit na jednu vrstvu čipu větší počet paměťových buněk. Takové buňky se nazývají 3D V-NAND a 3D TLC. Z hlediska kapacity a spolehlivosti se vyrovná TLC buňkám.

Počet stavů buněk v závislosti na typu paměti
Fyzicky se všechny tři typy paměťových technologií skládají ze stejných tranzistorů, jediný rozdíl je v tom, že ukládají různé množství náboje. Všechny tři fungují stejným způsobem: při přivedení napětí článek přejde ze stavu „vypnuto“ do stavu „zapnuto“. SLC používá dvě samostatné hodnoty napětí, které představují jeden bit informace na buňku a dvě logické úrovně (0 a 1). MLC používá čtyři samostatné hodnoty napětí k reprezentaci čtyř logických stavů (00, 01, 10, 11) nebo dvou bitů. TLC používá osm samostatných hodnot napětí k reprezentaci osmi logických stavů (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) nebo tří bitů informací.

Protože SLC používá pouze dvě hodnoty napětí, mohou se od sebe více lišit, což snižuje možnost nesprávné interpretace aktuálního stavu buňky a umožňuje použití standardních podmínek pro korekci chyb. Pravděpodobnost chyb čtení se zvyšuje při použití TLC NAND, takže tento typ paměti vyžaduje více ECC (Error Correction Code), když je zdroj NAND vyčerpán, protože v TLC je nutné opravit tři bity informací najednou, na rozdíl od jednoho pro SLC. a dva pro MLC.