將軍與士兵：固態(tài)硬盤主控與閃存原理

王青 / 2019-01-24 09:2427407

固態(tài)硬盤當(dāng)中閃存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主控負(fù)責(zé)與電腦主機(jī)進(jìn)行直接溝通。在大家的印象中，主控像是負(fù)責(zé)指揮的將軍，而閃存是具體執(zhí)行任務(wù)的士兵。俗話說，不想當(dāng)將軍的士兵不是好士兵，閃存其實(shí)并不簡單，在它之內(nèi)同樣有復(fù)雜的控制電路存在。下圖為東芝TR200固態(tài)硬盤拆解，由1顆主控與8顆閃存顆粒組成。

主控在實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)讀寫功能之外，還需要處理不同閃存單元之間的磨損均衡、垃圾回收，使得整個(gè)固態(tài)硬盤能否發(fā)揮出更佳的性能與壽命。下圖為東芝TR200固態(tài)硬盤所采用的東芝TC58NC1010GSB主控芯片。

平時(shí)介紹固態(tài)硬盤主控的文章較多，而對(duì)于閃存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大家所知不多。閃存是如何被主控管理的？他們之間遵循的又是哪一種語言？接下來就以東芝TR200固態(tài)硬盤使用的BiCS閃存為例，一起了解熟悉而又神秘的閃存。

閃存根據(jù)接口的不同分為Toggle和ONFI兩類，東芝和三星屬于Toggle陣營，而美光和SK Hynix則屬于ONFI陣營，二者定義了不同的主控-閃存溝通“語言”。下圖為東芝TR200固態(tài)硬盤當(dāng)中的3D閃存顆粒采用了TSOP封裝，具有成本低、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

TSOP閃存封裝的兩側(cè)共有48個(gè)針腳用于供電、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。在不同的閃存接口模式下，這些針腳還具備了不同的定義，通常用到的是Toggle DDR2.0定義，閃存接口帶寬400MT/s。

通過這些TSOP針腳，閃存顆粒內(nèi)的邏輯與控制電路就可以與外接進(jìn)行溝通。閃存內(nèi)的控制電路解讀主控發(fā)來的指令，并操控閃存陣列完成相應(yīng)的閃存讀取、寫入、擦除等動(dòng)作。

閃存顆粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)是大眾平時(shí)很難接觸到的另一個(gè)微觀世界。除了邏輯與控制電路外，閃存顆粒中占主要面積的是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的閃存單元陣列。在LUN、Plane層次，閃存可以充分發(fā)揮并行的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能倍增。

在Plane內(nèi)，閃存單元依據(jù)Block、Page編址，這是主控訪問和控制閃存的基礎(chǔ)。

閃存顆粒對(duì)外有多個(gè)引腳，分別對(duì)應(yīng)了不同的定義和功能，比如CE代表ChipEnalbe，給某個(gè)閃存Target對(duì)應(yīng)的CE引腳加上高電平，就可以選中它以便進(jìn)行其后的操作。下圖所示的閃存讀取過程中，CLE升高的時(shí)候可以通過DQ數(shù)據(jù)引腳將閃存命令輸入到閃存中的命令寄存器。接下來ALE升高，由DQ數(shù)據(jù)引腳輸入閃存地址。閃存收到讀取命令和命令對(duì)應(yīng)的地址之后，R/B狀態(tài)拉低表示當(dāng)前正忙。然后是DQS數(shù)據(jù)選通升高，通過DQ引腳輸出讀取到的數(shù)據(jù)給主控，最終再由主控處理后回饋給電腦主機(jī)。

閃存的設(shè)計(jì)與制造充滿技術(shù)挑戰(zhàn)。作為閃存世界的締造者，東芝目前已經(jīng)通過96層堆疊與QLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了最高1.33Tb的存儲(chǔ)密度，單個(gè)閃存顆粒的容量最高可達(dá)2.66TB。大容量閃存將引領(lǐng)手機(jī)走向TB級(jí)存儲(chǔ)空間，電腦固態(tài)硬盤也將隨著單位容量成本的降低而得到更高的普及率。下圖為東芝BiCS4 QLC閃存顆粒。