從智能手機、筆記本電腦、以及與各種云應用相關的服務器，閃存存儲已經在我們的現實世界中無處不在。閃存技術已經如此普遍，我們大多數人甚至都沒有意識到閃存技術本質上并不是一種可靠的存儲媒介。實際上，閃存單元的使用壽命有限，閃存的特性意味著需要強大的磨損平衡(wear-leveling)技術以便使其有更好的性能表現。

業(yè)界的好消息是，現代閃存控制器中的磨損平衡技術已經有長足的進步，能夠克服閃存存儲介質固有的弱點，并幫助發(fā)揮出閃存的優(yōu)勢。對于現代閃存系統(tǒng)而言，閃存控制器的選擇比閃存存儲器本身更加重要，通過為具體的應用選擇合適的閃存控制器，可以提高系統(tǒng)的耐用性和可靠性。

這對于終端用戶和設備制造商來說是一個非常大的優(yōu)勢，因為只要選用適當的高質量控制器，就可以在更關鍵的應用中采用越來越多的低成本、高容量多級單元MLC閃存。

閃存可靠性的挑戰(zhàn)

由于我們當今接觸到的幾乎所有電子設備都在使用閃存，很容易忘記這種技術本身其實是一種很挑剔的媒介，同樣面臨著許多可靠性挑戰(zhàn)。

雖然閃存存儲單元可以接近無限次地讀取，但是它們被編程或擦除(P/E)的次數卻很有限。閃存被編程或擦除的耐久性取決于閃存的類型，一般來說，對于SSD或eMMC等大多數采用NAND閃存存儲設備而言，其中使用的為商用MLC型閃存，通常每個單元只有數千個編程或擦除周期。

更糟糕的是，盡管閃存在讀取時沒有太多問題，但寫入閃存的過程肯定會更多。閃存可以在頁面面級寫入，大小以千字節(jié)為單位。數據在被正確地寫入之前，頁面面必須要保持清空。不幸的是，閃存一次只能被擦除一個區(qū)塊，其大小為兆字節(jié)。因此，寫入閃存之前需要首先擦除頁面面所在的大區(qū)塊閃存。如果更新某個閃存單元就需要更新區(qū)塊中的所有單元，導致總體使用壽命縮短。這通常被稱為寫入放大(Write Amplification)。

為了減少閃存單元的磨損，所有閃存存儲設備必須使用磨損平衡技術。這些技術旨在驅動器上均勻地分散磨損，以最大限度地提高系統(tǒng)的耐久性。DRAM、SRAM或未使用閃存單元中的臨時緩沖區(qū)都可用來跟蹤驅動器下一步要寫入的位置以及需要擦除的舊位置。

閃存驅動器的另一個主要問題是電源故障保護。臨時緩沖區(qū)包含驅動器下一步應該寫入的數據以及必須擦除的舊位置等信息，這些存儲在易失性存儲器中，這種情況下，突然斷電會導致緩沖區(qū)被擦除，從而對驅動器數據造成災難性的丟失。

隨著光刻工藝尺寸的降低以及閃存密度和性能的提高，影響閃存可靠性的最后一個問題是不斷增加的錯誤數量。最初的閃存驅動器使用單級單元(SLC)閃存，其中每個單元存儲一字節(jié)，但現代閃存驅動器通常將一個閃存單元分成多個字節(jié)，即MLC / TLC閃存。每個物理單元支持更多字節(jié)以增大存儲密度，但是會降低每個字節(jié)開/關狀態(tài)之間的閾值。這不僅會增大誤碼率，而且可降低使用壽命。隨著光刻工藝尺寸的減小，閃存密度會進一步提高，錯誤率也會增大。

高級控制器技術

盡管閃存存儲可靠性面臨著上述挑戰(zhàn)，但我們仍然能夠將其用于日常的消費類、商業(yè)類甚至任務關鍵型的應用，這在很大程度上得益于先進的閃存控制器技術。這些控制器結合了在磨損平衡、電源故障管理和糾錯等方面的先進技術，使我們能夠安全可靠地使用當今的高密度閃存。

磨損平衡

閃存轉換層(FTL)是閃存控制器其中一個最重要的方面。通過將主機的邏輯地址轉換為閃存上的物理地址，可以使SSD進行磨損平衡。例如，如果主機系統(tǒng)在相同的地址更新數據，FTL會將該邏輯地址轉換為新的物理地址，以便在閃存驅動器上均勻地分布磨損，最大限度地提高耐用性。

FTL中邏輯到物理地址的映射粒度對性能和耐久性都有很大的影響。消費類USB和SD卡等較簡單的閃存介質使用基于區(qū)塊的映射，在區(qū)塊(大小為兆字節(jié))級執(zhí)行映射。磨損平衡發(fā)生在區(qū)塊級，由于每個邏輯頁面面都被簡單地映射到固定的物理頁面面，因而在頁面面級不會產生優(yōu)化。

由于區(qū)塊的尺寸就是擦除操作的最小尺寸，所以這種映射實施起來非常簡單且負擔較低。但是，這種簡單的方法會導致大量的寫入放大，并縮短了器件的使用壽命。

基于頁面的映射通常用于現代SSD，它是將更細粒度的邏輯數據頁面(以千字節(jié)為單位)映射到數據的物理頁面。通過這種映射，邏輯頁面可以映射到區(qū)塊內的任何物理頁面，同時實現區(qū)塊級和頁面級的磨損平衡。但是，對于其他形狀因數，SSD基于頁面的映射尚未被廣泛使用。

頁面映射等這樣更細化的方法需要更強大的計算能力，并且必須存儲更大的映射表。但是，不斷增大的粒度可以大幅度降低寫入放大。特別是對于工業(yè)、嵌入式或物聯(lián)網應用而言，較小的隨機I / O操作是常態(tài)，粒度、頁面映射可以大大降低寫入放大，并延長設備的使用壽命。

斷電保護

由于SSD磨損平衡算法的映射信息通常存儲在易失性DRAM中，因此電源故障會導致災難性的信息丟失和驅動器損壞。為了防止出現這種可能性，許多工業(yè)SSD會采用超級電容器來存儲備用電能，以防備電源故障，從而使系統(tǒng)有時間把DRAM內容轉存到非易失性的閃存中。

雖然這種方法可行，但并不理想。依靠超級電容的備用電能，這些SSD不但增加了成本，而且還引入了另一個可能的故障點，因而影響系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。微型SD(µSD)等更小形狀因數的設備根本不允許包括DRAM和電容器。

具備Hyperstone hyMap®技術閃存控制器的存儲設備能夠直接在非易失性存儲器中存儲映射信息，這不僅消除了DRAM和電容器的成本，而且在任何時間、任何情況下都能確保數據的安全。

糾錯

糾錯是閃存存儲可靠性難題中的最后一關。以前的閃存可以使用簡單的海明碼(Hamming-code)糾錯碼(ECC)，但新一代高密度MLC閃存則需要更強的糾錯能力?，F代MLC ECC必須能夠校正每個扇區(qū)的多個字節(jié)。

消費類SSD可能會選擇使用質量和成本較低的LDPC代碼來執(zhí)行這種類型的ECC，但工業(yè)級閃存具有更嚴格的要求，更傾向于采用BCH或其他更高可靠性的方法。使用96字節(jié)的BCH ECC，可以提供多字節(jié)糾錯功能，而且無需給I / O操作增加任何負擔。

控制閃存可靠性

構建可靠的閃存充滿了挑戰(zhàn)。盡管固態(tài)存儲沒有可移動部件，物理上比硬盤更可靠。但閃存單元有限的使用壽命、電源故障以及閃存的糾錯等問題給數據的可靠性帶來了挑戰(zhàn)，特別是對于嵌入式和工業(yè)驅動器等需要長壽命周期的應用。

過去，只要購買SLC型閃存就足以保證一個相對可靠的系統(tǒng)。然而，隨著工藝幾何尺寸的縮小和閃存密度的不斷提高，如今不同閃存介質之間可靠性和錯誤率的差異已經沒有之前那么明顯，當今存儲系統(tǒng)可靠性的最大決定因素反而是閃存控制器的設計。

對于要求高可靠性和長使用壽命的應用，重要的是要選擇面向嵌入式工業(yè)市場的控制器，而不是那些以犧牲使用壽命或數據完整性為代價來實現高性能的產品。通過先進的磨損平衡技術、電源故障防護設計和強大的ECC，基于Hyperstone控制器的存儲設備能夠確保實現高可靠度的解決方案。