下一代Flash存储器在工业控制领域技术与应用

　　下一代Flash存储器品质与耐用度趋势越来越往下，工控市场客户往往只敢选用单价高昂的SLC存储器，也使得工控应用上的SSD容量受到局限；Flash SSD/DOM业者导入十倍于MLC耐用品质等级的iSLC存储器技术，加上导入种种维护、监控SSD内部Flash在擦写均匀度（Wear Leveling）、品质与稳定性的关键技术，使得MLC可以导入轻量级工控应用，而iSLC存储器将成为工控应用的新宠。

　　MLC在嵌入式工控应用的挑战

　　NAND Flash随着制程进步，线路宽度与间距越来越细小，连带影响到可擦写次数（P/E Cycles）的缩减。以SLC存储器为例，从3x纳米制程（3xnm）时代的100,000次P/E Cycles，仅需4个ECC bit（错误即时修正位元），到2x纳米制程时代的SLC，其P/E Cycles降到60,000次且需要ECC 24bit。

　　宜鼎国际股份有限公司工控FLASH事业处协理吴锡熙

　　MLC Flash从早期5x纳米制程需要ECC 8bit、P/E cycles为10，000次，到3xnm MLC时P/E Cycles降到5，000次，ECC爆增到15bit；跨入2xnm MLC时P/E Cycles已降到3，000次，需要到ECC 24bit，2ynm MLC时，修正位元数更增加至ECC 40bit。

　　周边储存装置的传输速率也不断的提升。2010年ONFI 2.0推进到133MB/s，eMMC v4.41传输速率为104MB/s；2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0规格，把Flash传输速率提升到200MB/s，eMMC v4.5拉高到200MB/s；UFS 1.0传输速率为2.9Gbps，SATAⅡ规格到3Gbps（300MB/s）；2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s，UFS v2.0传输速率倍增为5.8Gbps，SATAⅢ则为6Gbps（600MB/s）；到2015年ONFI v4.x/Toggle v2.xx规格定义的传输速率增到800MB/s、1.6GB/s。

　　面对新一代Flash耐用度╱品质持续下降的种种挑战

　　吴锡熙指出，使用MLC存储器挑战，在于持续增加的错误位元数，2ynm制程已经超过40个，在-40?85℃宽温环境下，其错误位元数还会增加；同时 MLC在电源突然中断循环测试（Power Cycling）下容易资料遗失，资料寿命会随着P/E Cycles增加而缩短，以及16K分页设计的MLC在做区块回收（Garbage CollecTIon）时会花费更多处理时间。

　　如果客户评估想导入MLC于轻量级工控应用，除了需要有好的平均擦写机制、内部监控工具之外，还要有其他辅助性的技术。

　　MLC 会随着P/E cycles擦写次数的增加，错误位元会逐渐增加。依照宜鼎内部长期测试结果，以3xnm MLC为例，从1，000 P/E Cycles以内，平均只产生一个错误位元；经过20，000 P/E cycles后，错误位元数暴增了5倍。2xnm制程的MLC，在1，000 P/E cycles以下的平均错误位元数就已经是5，经过8，000次后增加到25；2ynm制程的MLC在1，000 P/E cycles时错误位元数3，8，000次时增加到34，到10，000次时增加到41个。

　　宜鼎提出Flash Correct-and-Refresh（FCR）技术，随时读取并监控错误位元发生率异常增加的MLC区块，修正后搬移到其它储存状况较好的区块后重新抹写更新，可以改善Flash的使用寿命。宜鼎也对16KB分页的MLC Flash，发展出更智慧的区块回收（Garbage CollecTIon）演算法，减少SSD做资料维护的延迟现象。

　　吴锡熙认为若要使用MLC存储器时，可采用动态平均擦写（Dynamic Wear-Leveling）技术，再搭配静态平均擦写（StaTIc Wear-Leveling），对于仅3，000次P/E Cycles的MLC来说尤其重要。像宜鼎（Innodisk）就提供一个iSMART工具程式，可以用点状分布图方式，呈现出该SSD某一个区块的写入次数，以及整体Wear-Leveling效果，同时也能针对温度与使用寿命做监控与预估，同时也能发挥监控效能以及预先警示功能。

　　而 MLC在写入资料时若突然发生断电情况，万一此时韧体正在进行写入资料或区块回收作业时，特别容易造成被写入的存储页与相邻存储页的连带影响，甚至造成整个SSD资料遗失。因此好的SSD控制芯片需具备失效╱低电压侦测电路，藉由侦测输入电流发生压降时，能迅速的将该写完的存储页完成后，储存必要的系统状态旗号恢复且重新开机载入OS。

　　以iSLC提供低成本、高品质的工控应用

　　在一般商温（0~70℃）的工控应用下，需要经常性的读写且要五年的品质保证，对于密集读写的重量级应用上，客户往往只选订SLC；但SLC与MLC价差快要五倍。因此宜鼎提出以iSLC存储器解决方案来取代。

　　iSLC 与既有SLC、MLC存储器的差异，在于iSLC运用既有的低本的MLC存储器制程技术，在每一个细胞电路单元，使用SLC读写技术（只储存1个位元的电荷值），Endurance因而提升到30，000次P/E Cycles，介于SLC的60，000次与MLC的3，000次之间，成本虽然比MLC高，却比SLC便宜一半。可应用在像是IPC/Kiosk /POS系统、嵌入式系统、伺服器主机板以及薄型终端机等。

　　他列出一张以相同2xnm制程的MLC与iSLC长期耐用度的测试图表：MLC 在连续写20，000次后，产生错误位元数超过30；iSLC则是仅有6个，即便连续抹写超过100，000次，产生错误位元数不超过10个，耐用度与品质媲美标准SLC制程的SLC存储器。以32G容量SSD测试，每天写满32GB资料10次，MLC只能维持0.8年，旧制程（3xnm） SLC可以达到27.4年，新制程（2xnm） SLC可达16.4年，而2xnm制程的iSLC可达到7.6年。

　　宜鼎国际以iSLC快闪存储器技术设计一系列产品，全为SATAⅡ介面设计：

　　型号2.5” SSD 2IE採8通道设计，容量32GB~256GB，循序读写速度为230、200MB/s；SATADOM-QVL 2IE以及SATADOM-QV 2IE则为4通道设计，容量8 ~ 64GB，循序读写速度为130、120MB/s；CFAST 2IE存储器一样为4通道设计，容量8 ~ 64GB，循序读写速度为130、120MB/s。另外有mSATA 2IE的mSATA模组，Halfslim尺寸的SATA Slim 2IE，以及SATADOM QH 2IE模组，皆为SATAⅡ介面四通道设计，容量8 ~ 64GB，循序读写速度为130、120MB/s

　　嵌入式应用的SATAIII解决方案

　　吴锡熙接着介绍针对嵌入式工控应用的SATAIII产品解决方案。由宜鼎研发的Innodisk ID167控制芯片，采四通道8CE设计，ECC资料修正能力为40bit/1KB；搭配64Mx16bit的DDRⅢ存储器做为读写缓冲区，同时在SATAⅢ的Slumber、DEVSEL模式下仅有33 mW、5mW的功耗。採ID167设计的SSD与mSATA模组，将于2013年第一季开始送样。

　　Innodisk ID167搭配选用24/25nm制程的同步型（Sync）MLC Flash存储器颗粒，以IO Meter做效能实测，64GB（4CH）版本，其循序读取╱写入效能达480MB/s、270MB/s，持续性读取╱写入IOPS为80K、 1K；128GB（4CH）版本的循序读取╱写入效能 520MB/s、350MB/s，持续性读取╱写入IOPS为80K、2K；256GB（4CH）循序读取╱写入效能 550MB/s、400MB/s，持续性读取╱写入IOPS为80K、3K，表现算是相当出色。

　　跟工控应用为主流的128GB SLC SSD相比，CystalDiskMark v3.0实测结果，256GB MLC SATAIII SSD的循序读取、写入速度为519、344MB/s，而纯SATAⅡ的128GB SLC SSD，循序读取、写入速度为253、190MB/s。在两者成本相近情况下，256GB MLC SATAIII SSD比128GB SLC SATAⅡ SSD容量倍增、效能更快。

　　宜鼎也提供有SSD单芯片模组，由Innodisk ID167控制芯片加上Flash硅晶圆封装做COB封装而成，32GB（4CH x 1CE）版本，其循序读取、写入速度为480、140MB/s。跟SATAII SLC的32GB SATADOM做CystalDiskMark v3.0效能实测，SATA III循序读取、写入速度为482、271MB/s；SATA II循序读取、写入速度为252、235MB/s。