Gömülü manyetik döndürmeli depolama çipine dayalı bir katı hal sabit disk denetleyici çip mimarisi
Li Wei
(China Power Haikang Group Co., Ltd., Hangzhou 311121, Zhejiang)
Geleneksel kurumsal düzeyde katı hal sabit disk depolama yongaları, flash adres dönüştürme eşleme tablosunu depolamak için harici DRAM (Dinamik Rasgele Erişim Belleği) parçacıkları kullanır; bu, yalnızca maliyetli ve geniş bir alanı kaplamakla kalmaz, aynı zamanda karmaşık bir kapanma koruma süreci ve ek yedekleme gücü tasarımı gerektirir. Kondansatörü koruyun. Yeni tip manyetik döner bellek yongasının gücü kapatan uçucu olmayan özelliklerinin yanı sıra yüksek yoğunluk, hızlı hız, düşük güç tüketimi, uzun veri tutma süresi ve sınırsız silme ve yazma sürelerinin özelliklerinden yararlanılarak, yeni bir gömülü manyetik döner bellek yongası türü önerilmiştir. Katı hal sabit disk denetleyici mimari şeması, anormal güç kesintisi sürecini ve denetleyici yongasının yedekleme tasarımını büyük ölçüde basitleştirebilir, katı hal sabit diskin dahili yedekleme kapasitörünün maliyetinden tasarruf edebilir ve katı hal sabit diskin kapasite artışını etkili bir şekilde destekleyebilir.
: Manyetik Döner Bellek Yongası; Katı Hal Sürücüsü; Çip Mimarisi; Gömülü
: TN492 belge tanımlama kodu: ADoi: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.01.009
Alıntı biçimi Li Wei. Gömülü manyetik döner depolama yongalarına dayalı bir katı hal sabit disk denetleyici yonga mimarisi J. Mikrobilgisayarlar ve Uygulamalar, 2017, 36 (1): 2931.
0 Önsöz
Büyük veri ve bulut bilişimin gelişmesiyle birlikte büyük miktarda verinin depolanması gerekmekte, diğer yandan NAND Flash teknolojisinin ilerlemesi ve verim oranının artması ile katı hal disk (SSD) maliyeti düşmüştür. Kurumsal düzeydeki sabit disk sürücülerine (Sabit Disk Sürücüsü) yakın bir düzeye kadar, SSD'ler sunucularda, veri merkezlerinde ve depolama sistemlerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Geleneksel kurumsal düzey SSD denetleyicileri çoğunlukla DRAM çözümlerine dayalı veri ve tablo öğesi depolama çözümlerini kullanır; bu, yalnızca tasarlanması zor ve anormal güç kapatma prosedürlerinde karmaşık olmakla kalmaz, aynı zamanda SSD diskinde yedekleme tantal kapasitörlerini yerleştirmek için çok fazla yer kaplar. Bu sadece maliyeti artırmakla kalmaz, aynı zamanda diskteki alan kullanımını da sınırlar ve SSD'nin kapasitesini artırmak imkansızdır.
Bu makalede, gömülü manyetik spin bellek yongası (Spin-Transfer-Torque Magnetic Random Access Memory, STT-MRAM), SSD denetleyici yongasının mimari tasarımına uygulanmaktadır; bu, anormal güç kesintisi sürecini basitleştirebilir, yedekleme kapasitörünü SSD diskine kaydedebilir ve Sabit disk kapasitesini% 30'dan fazla artırın.
1 Mevcut katı hal sürücü denetleyici mimari şemasına giriş
Şekil 1, mevcut genel kurumsal düzeyde katı hal sürücü mimarisinin şematik diyagramıdır.
Mevcut SSD denetleyici çipi, ön uç ana bilgisayar arabirim modülüne, sistem yönetim modülüne ve arka uç Flash arabirim modülüne bölünmüştür.
Ön uç ana bilgisayar arabirimi modülü, ana bilgisayar tarafından verilen okuma ve yazma komutlarının alınması ve işlenmesinden sorumludur ve veriler DRAM'de alınır ve depolanır. Kurumsal SSD'de, yüksek performans gereksinimleri nedeniyle, ön uç ana bilgisayar arabirimi temel olarak NVMe (Uçucu Olmayan Bellek Ekspres) protokolüne dayalı üçüncü nesil PCIe (PCI Express) arabirimini kullanır.Ayrıca, SAS (Seri Bağlı SCSI) 12 G ve SATA (Seri ATA) arabirimleri de mevcut SSD ön uç ana bilgisayar arabirimi için genel protokollerdir.
Sistem yönetimi modülü, Flash Translate Layer (FTL) yönetimi, meta veri yönetimi, günlük yönetimi, süreç kontrolü vb. Dahil olmak üzere SSD denetleyici çipinin temel birimidir. Bunların arasında FTL giriş yönetimi en önemli kısımdır.
FTL temel olarak ana bilgisayar tarafından verilen mantıksal adres (Mantıksal Blok Adresi, LBA) ile ortam parçacıklarında depolanan fiziksel adres (Fiziksel Blok Adresi, PBA) arasındaki eşleştirme tablosu ile ilgilenir.Flaş belleğin geleneksel sabit diskin çalışmasını tamamen simüle etmesini sağlayan yazılım katmanıdır. Yalnızca FTL katman flash bellek cihazı kullanılabilir ve FTL katmanının etkinliği doğrudan aygıtın performansını etkiler.
Sistem yönetimi modülünün işlevleri temel olarak şu noktaları içerir: FTL giriş yönetimi; çöp toplama işlemi; artımlı alan temini; soğuk / sıcak veri alışverişi işleme; Düzlem, yonga ve kanallar arasında paralel işleme; görev talebi sıralaması; Tampon yönetimi; bozuk blok yönetimi; aşınma dengesi işleme; elektrik kesintisi kurtarma işlemi; ECC işleme.
NAND Flash Arayüzü esas olarak verilerin işlenmesinden ve NAND Flash parçacıklarının komut değişiminden sorumludur. NFI, ana bilgisayar tarafındaki okuma ve yazma komutlarını ONFI ve Toggle ile uyumlu standart bir NAND arabirim protokolüne dönüştürmekten sorumludur ve NAND parçacıkları ile denetleyici veri önbelleği arasında veri okuma ve yazma etkileşimlerini gerçekleştirir.
Denetleyici çipine ve çok sayıda NAND Flash parçacığına ek olarak, SSD diskinin PCB kartı ayrıca aşağıdaki ana bileşenleri içerir:
(1) Harici DRAM parçacıklarının SSD disklerdeki rolünün temel olarak iki yönü vardır: verileri okumak ve yazmak için bir önbellek ve FTL eşleme tablosuna erişim. Bu tasarım gereksinimini karşılamak için, denetleyici yonga tasarımında DDR protokolüne uyum sağlamak için, uyarlanacak bir DDR Denetleyici ve DDR PHY geliştirmek gerekir ve DRAM parçacık düzenlemesi ve yüksek hızlı sinyal düzeni için PCB üzerinde ek alan ayrılmalıdır.
(2) Elektrik Kapasitesinin (yedek kapasitör) işlevi, beklenmedik bir elektrik kesintisi durumunda yedek kapasitör gücünün desteği altında DRAM parçacıklarında depolanan FTL tablo öğelerini güvenli ve zamanında hızlı bir şekilde flaş etmektir. FTL girişlerinin kaybının neden olduğu veri kaybını önlemek için medya kaybı (NAND Flash).
Geleneksel SSD denetleyici çip mimarisinin dezavantajları şunlardır:
(1) Kurumsal endüstride yaygın olarak kullanılan çözüm, FTL girişlerini depolamak için harici DRAM parçacıkları kullanmak olduğundan, uyarlamak için çip içinde ek DDRPHY ve DDR denetleyicilerine ihtiyaç vardır ve DDR denetleyicileri ve DDR PHY'leri geliştirmek oldukça zordur. EDA satıcısından IP yetkilendirme maliyeti oldukça pahalıdır, bu nedenle tasarım ve geliştirme maliyetlerini artıracaktır.
(2) Şekil 2'de gösterildiği gibi, diskin dahili alanı sınırlıdır, standart bir 2,5 inç SSD'nin baskılı devre kartının (PCB) şematik diyagramıdır. Ünlü bir yerli şirket tarafından üretilen kurumsal düzeyde bir SSD diskinin analizinden, SSD sabit diskinin PCB kartı alanının yaklaşık% 80'inin flash bellek ortam parçacıkları ile kaplandığı ve diğer% 20'lik alanın ise SSD denetleyici yongaları, DRAM parçacıkları ve Elektrik kapasitesini vb. Hazırlayın.
(3) Kurumsal düzey SSD, veri güvenilirliği için son derece yüksek gereksinimlere sahiptir ve tasarımı, denetleyicinin temel içeriğini (FTL tablosu) çeşitli anormal koşullar altında (anormal güç kesintisi gibi) güvenli ve güvenilir bir şekilde saklama yeteneğini dikkate almalıdır. Uçucu ortamda. Geleneksel kurumsal düzey SSD denetleyici yonga mimarisinde, FTL tablosu girişleri DRAM'de depolanır.Bu nedenle, bir güç kesintisi meydana geldiğinde, DRAM içindeki FTL tablosunun NAND Flash'a flash edilmesi gerekir. Kısacası, yedek kapasitörün gücü desteklediği bu kısa süre boyunca denetleyicinin FTL tablo girişinin verilerini NAND Flash'ta bir yazma işlemi şeklinde depolaması gerekir. Bu nedenle, yedek güç tasarımında, PCB üzerindeki kullanılabilir alanı daha da azaltacak yedek güç sağlamak için çok sayıda SMD tantal kapasitörlere ihtiyaç duyulmaktadır İkincisi, yedek gücün, donanımı iyileştirecek anormal veri işleme prosedürlerini içermesidir. Ve aygıt yazılımı tasarımının karmaşıklığı.
Manyetik Eğirme Bellek Çipinin (STTMRAM) 2 Özellikleri
Birçok yeni uçucu olmayan depolama ortamı arasında, manyetik döndürmeli depolama yongası (STT-MRAM), CMOS yarı iletken teknolojisiyle iyi uyumludur ve bellek hücrelerinin yüksek yoğunluklu entegrasyonu, daha az metal katmanla elde edilebilir. Aynı zamanda Static Random Access Memory (SRAM) okuma yazma hızına yakın olduğu için son derece düşük statik ve dinamik güç tüketimine sahip olup, elektrik kesildiğinde kolayca kaybolmama özelliğine sahiptir.Sonsuz silme ve yazma sürelerine yakındır ve yüksek sıcaklıkta uzun süre kullanılabilir. Veri tutma yeteneği ve güçlü manyetik alan radyasyonuna karşı direnci, kurumsal SSD denetleyicilerinde veri önbelleği ve FTL giriş depolaması için doğal olarak iyi bir ortamdır [1].
Şu anda, birçok büyük yarı iletken tasarım üreticisi MRAM yongalarını yeni nesil uçucu olmayan depolama ortamlarının Ar-Ge'sinin odağı haline getirmiştir.STT-MRAM'ın Ar-Ge'sini sürekli olarak ilerleten TSMC, Samsung ve Toshiba'ya ek olarak, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki EVERSPIN 256'yı piyasaya sürdü. MB'nin seri üretim test çipi. Teknolojinin ilerlemesi ve verim oranının iyileştirilmesi ile depolama bölümleme alanında STT-MRAM uygulaması giderek daha kapsamlı hale gelecektir [2].
SSD denetleyici yongasının mimari tasarımına gömülü STT-MRAM uygulaması, güç kapatıldığında kalıcı veri özelliklerinden tam olarak yararlanır, bu da çok fazla güç yedekleme tasarımı ve yedekleme sürecinden tasarruf sağlayabilir ve SSD denetleyici mimari tasarımını büyük ölçüde basitleştirebilir. Ek olarak, SMD tantal kapasitörlerin tasarrufu nedeniyle, daha fazla NAND Flash parçacığının yerleştirilmesini desteklemek ve daha fazla kapasite elde etmek için PCB üzerinde daha fazla alan ayrılabilir. Ek olarak, denetleyici yongası içindeki DDR arabirimiyle ilgili IP tasarımı basitleştirilir ve gömülü STT-MRAM'ın dahili veri yolu arabirimi (SRAM benzeri) kullanılır, bu da yalnızca tasarım zorluğunu basitleştirmekle kalmaz, aynı zamanda kart üzerindeki kablolamanın sinyal gecikmesini de azaltır. , Arayüz yüksek hızlı sinyal üzerindeki etkiyi önlemek için.
Gömülü manyetik döner depolamaya dayalı 3 SSD denetleyici mimarisi şeması
Şekil 3, gömülü STT-MRAM uygulandıktan sonra SSD denetleyici çip mimarisinin şematik diyagramıdır.
Bu çözümün teknik özellikleri şunlardır:
(1) DDR denetleyicisini ve SSD denetleyici yongasının içindeki DDR PHY'yi çıkarın ve yerleşik STT-MRAM'i denetleyici yongasının içine doğrudan SRAM benzeri bir arabirim biçiminde entegre edin.
SRAM benzeri veri yolu arabirim sinyalleri arasında çip seçme CS, yazma etkinleştirme WE, okuma etkinleştirme RE, çıkış etkinleştirme sinyali OE, sıfırlama RST, saat CLK, adres satırı A [31: 0], veri giriş satırı DIN [31: 0] ve veri çıkış hattı DOUT [31: 0]. Denetleyicinin dahili modülleri ile etkileşim için dahili veri yolu arabiriminin kullanılması, sinyal hattı iletim gecikmesini ve harici arabirim protokolünün neden olduğu ek yükü büyük ölçüde azaltabilir ve denetleyicinin performansını daha da iyileştirebilir.
(2) STT-MRAM'ın ana işlevi, arka uç Flash arabirimi ile veri önbelleği olarak ön uç ana bilgisayar arabiriminden veri almak; flash adres çeviri katmanı tablo girişlerini depolamak; geçerli sayfaların ve bozuk blokların sayısı gibi meta verileri depolamaktır. Yönetim bilgileri, bellenim, başlangıç kodu, seyrek kontrol matrisi vb.
(3) Yedek güç sürecinin basitleştirilmesi. Geleneksel SSD denetleyici yonga mimarisinde, veriler ve FTL tablo girişleri DRAM'de depolandığından ve DRAM, anormal kapanma durumunda veri güvenilirliğini sağlamak için kapanma sırasında geçici veri özelliklerine sahiptir. Geleneksel denetleyici yongasının, yerleşik yedek kapasitörün güç desteği altında Flash yazma işlemlerini aktif olarak başlatması ve geçici olmayan flash belleğe kaydedilmesi gereken tüm önemli bilgileri flaş etmesi gerekir.Bir sonraki açılışta, denetleyicinin ihtiyacı vardır. Bir okuma işlemi başlatın ve sistemin başlatılmasını tamamlamak için FTL tablo girişleri gibi verileri DRAM'a yeniden okuyun. Şekil 4, SSD'nin anormal elektrik kesintisinin bir akış şemasıdır.
Bu mimari şemada, gömülü STT-MRAM'ın geçici olmayan kapanma özellikleri nedeniyle, veriler ve FTL tablo girişleri, bir güç kesintisi istisnası durumunda yine de güvenli bir şekilde depolanabilir. Yedek güç süreci büyük ölçüde basitleştirilecektir. Disk içindeki güç yedekleme için kullanılan tantal kapasitör de çıkarılabilir ve disk içindeki donanım tasarımı maliyetinden tasarruf sağlar. 900 GB SAS arabirimli kurumsal düzeyde bir SSD diskin anatomik analizine göre, güç yedekleme gereksinimlerini karşılamak için disk PCB üzerine toplam 400'den fazla tantal kapasitörün yerleştirildiği görülmektedir. Bu mimari çözüm benimsenirse, tüm bu ilave tantal kapasitörler çıkarılabilir.Bir yandan donanım bileşenlerinin maliyetinden tasarruf edilirken, diğer yandan tantal kapasitör tarafından çıkarılan PCB alanı, en azından SSD diskinin kapasitesini artırabilecek NAND Flash parçacıklarını yapıştırmak için kullanılır. % 20.
4. Sonuç
Bu yazıda önerilen yerleşik STTMRAM'a dayalı katı hal sürücü denetleyici mimarisi, denetleyicideki FTL girişlerinin güç yedekleme işlemini büyük ölçüde basitleştirebilir, diskteki PCB tasarımının zorluğunu ve maliyetini basitleştirebilir ve SSD'nin okuma ve yazma performansını iyileştirebilir. Aynı zamanda, daha fazla kapasite elde etmek için SSD'yi etkin bir şekilde destekleyebilir. STT-MRAM proses teknolojisinin ilerlemesi ve verim oranının iyileştirilmesiyle, manyetik spin bellek yongaları daha fazla depolama alt bölümünde yaygın olarak kullanılacaktır.
Referanslar
[1] TANG D D, LEE Y J. Manyetik bellek temelleri ve teknolojisi [M] İngiltere: Cambridge University Press, 2010.
2 Xie Yuan. Gelişen bellek teknolojileri: tasarım, mimari ve uygulamalar M. Almanya: Springer, 2014.
