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快閃記憶體在效能、元件特性、耐用度與單位儲存容量等相關(guān)表現(xiàn)不斷提升，已大量滲透到常見的日常家電、3C產(chǎn)品與IT裝置中，而采行快閃記憶體技術(shù)的產(chǎn)品，也因為快閃記憶體具備高耐震表現(xiàn)，得以滿足惡劣環(huán)境下的儲存需求，面對種種的裝載挑戰(zhàn)，代表著以NAND Flash快閃記憶體為基礎的儲存設備，在開發(fā)上也必須面臨更多挑戰(zhàn)...
儲存子系統(tǒng)，在現(xiàn)今的電子裝置設計中，具一定程度的應用地位，因為許多系統(tǒng)設計情境，除非是嵌入式應用產(chǎn)品，核心處理器多半采與主記憶體、次儲存記憶體分離的設計模式，頂多核心處理器與一階、二階快取整合方式設計，如此的設計模式具備相當多優(yōu)點。
NAND Flash快閃記憶體近來成為固態(tài)硬碟的最佳選擇，多數(shù)固態(tài)硬碟設計多采MLC元件進行架構(gòu)。Intel
SLC NAND Flash晶片雖壽命長，但單位容量不若MLC產(chǎn)品，圖為43nm制程SLC產(chǎn)品。Toshiba
例如，可以節(jié)省核心處理器的制作復雜度、提高良率、增加成本優(yōu)勢等，即便是采取整合的嵌入式應用設計，其使用容量也非無限制，系統(tǒng)端僅整合有限容量的儲存空間，其余由外部儲存體提供更大容量的資料儲存功能。
NAND Flash快閃記憶體具成本、體積與整合優(yōu)勢
傳統(tǒng)的儲存媒介，如光儲存媒體、磁性儲存媒體，受限于光學或機械、磁力的物理特性與構(gòu)型極限，其儲存子系統(tǒng)都有一定程度的體積限制，例如，光儲存媒體一定必須要有光碟片、驅(qū)動裝置、雷射頭、讀取頭等關(guān)鍵零組件，搭配控制器與機械結(jié)構(gòu)，組成一個完整的儲存子系統(tǒng)。而硬碟機也是由碟片、讀取臂、讀取頭、驅(qū)動器、伺服系統(tǒng)等關(guān)鍵組件構(gòu)成。
在傳統(tǒng)的儲存技術(shù)下，子系統(tǒng)的體積受限于物理特性，即便是透過改良的伺服機構(gòu)、驅(qū)動器、伺服器去縮小體積，甚至是以強化儲存碟片的單位記錄容量，去減省碟片占據(jù)的空間，但再怎么發(fā)展，仍會遭遇裝置開發(fā)的極限。
相反地，在積體電路化的Flash快閃記憶體技術(shù)下，不用考量構(gòu)型、光學、磁性等物理限制，在實際生產(chǎn)的晶圓加工階段，或是后段采行晶片堆疊或是系統(tǒng)化晶片的手段，就能輕松將單位容量倍增，甚至達到提升數(shù)十倍的效果。
尤其，快閃記憶體沒有所謂的構(gòu)型限制，也沒有光學技術(shù)所需的空間需求，甚至不需要考量如硬碟必須建構(gòu)一個完美的讀寫空間，因此，在建構(gòu)子系統(tǒng)方面，可以比傳統(tǒng)方式更容易與系統(tǒng)進行功能整合，尤其是在運行環(huán)境相對較嚴苛的嵌入式系統(tǒng)的整合方面，更凸顯其性能效益。
目前各式NAND Flash快閃記憶體架構(gòu)的開發(fā)，已逐漸以更新、更先進的晶片、IC制程技術(shù)改善原有的存儲特性，甚至針對原有快閃記憶體的性能限制，更進一步提出改善方針，尤其在應對不同的系統(tǒng)整合需求，讓NAND Flash快閃記憶體子系統(tǒng)的開發(fā)設計復雜度，比以往更具挑戰(zhàn)性。
現(xiàn)有的NAND Flash快閃記憶體市場現(xiàn)況，有幾種常見的設計方式，例如，采行快閃記憶體控制器與NAND Flash快閃記憶體元件分離的設計方式；或者可采行嵌入式NAND Flash快閃記憶體控制器及獨立NAND Flash儲存元件；也有選擇managed NAND Flash快閃記憶體解決方案，這其實就是利用預先封裝好的完整NAND Flash儲存子系統(tǒng)。不同的方式，在性能、成本、體積方面各具優(yōu)勢。
因應新應用需求的設計改變
隨著消費性產(chǎn)品對儲存子系統(tǒng)的要求越來越高，不管是在讀寫速度或容量上，都較以往產(chǎn)品有更高的要求，高容量化已經(jīng)成為目前相關(guān)商品的常態(tài)，因此在NAND Flash快閃記憶體的開發(fā)方面也必須呼應此未來需求。目前NAND Flash快閃記憶體容量上的應用差異，當元件的密度在單位存儲超過4Gb時，傳統(tǒng)采行512B的可程式化記錄頁面，已無法再為系統(tǒng)提供最佳的記憶體分段，目前多已轉(zhuǎn)向利用2KB頁面尺寸，來因應更大的快閃記憶體分頁。
而大容量化的需求，也讓現(xiàn)有的2KB可程式化記錄頁面不敷使用，已有制造商開始量產(chǎn)4KB頁面尺寸的NAND Flash快閃記憶體。透過更大的可程式化記錄頁面去提升快閃記憶體的容量，僅是突破分段頁面的記錄瓶頸，基本上仍須透過根本方法，來擴充儲存的單位容量。
目前采用40nm晶圓技術(shù)制程、8KB可程式化記錄頁面的快閃記憶體，也有業(yè)者開始供貨，這在單位產(chǎn)品容量可以達到有效的提升效益。而為了提高單位容量，NAND Flash快閃記憶體制造商也嘗試從單層單元(SLC)、改為采行每記錄單元可儲存4位元的多層單元(MLC)的快閃記憶體儲存架構(gòu)，讓整體儲存容量可獲得爆發(fā)性的成長。
事實上，持續(xù)性的追求單位儲存容量的極大化，也讓NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如，快閃記憶體裝置或元件在因應消費性產(chǎn)品的多元功能要求，也必須進行更多改善與效能提升，像是控制器除了要肩負原有的儲存單元寫入、抹除、讀出等控制工作外，還要因應新元件的多層資料讀寫需求，但在追求效能的同時，畢竟無法全面性的達到裝置元件具備一致性的效能表現(xiàn)。
尤其是讀出與寫入效能，都會或多或少有些許誤差，但對整合儲存子系統(tǒng)來說，若沒有針對元件的底層特性因應控制條件，可能會在讀出資料的正確性產(chǎn)生誤差，甚至部分廠商為了降低庫存風險、同時維持成本優(yōu)勢，也會采取不同NAND Flash快閃記憶體向不同業(yè)者進貨的商業(yè)行為模式，但在同一套儲存子系統(tǒng)中，要因應不同來源或是略有效能差異的NAND Flash快閃記憶體，則在實際進行儲存子系統(tǒng)整合時，其子系統(tǒng)就可能出現(xiàn)讀/寫方面的性能穩(wěn)定性問題，甚至造成儲存子系統(tǒng)的誤動作。
較完整的作法是將原有的讀/寫控制器，進一步朝整合的方向進行開發(fā)，以建構(gòu)一個獨立的儲存子系統(tǒng)為方向。例如，將控制器的功能以編程提供更完善的嵌入式控制支援，而在控制器方面新增讀/寫快取記憶體，同時針對多供貨商來源的NAND Flash快閃記憶體元件的相容性特性資料，進行功能與驅(qū)動方面的最適化設計，尤其是針對相容性的問題，例如不同NAND Flash快閃記憶體供應商所提供的記憶體元件，可能具不同的抹除程序或是時序要求，必須在子系統(tǒng)內(nèi)就能獲得最佳化的控制，減少系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
NAND Flash快閃記憶體近來成為固態(tài)硬碟的最佳選擇，多數(shù)固態(tài)硬碟設計多采MLC元件進行架構(gòu)。Intel
SLC NAND Flash晶片雖壽命長，但單位容量不若MLC產(chǎn)品，圖為43nm制程SLC產(chǎn)品。Toshiba
基本上，NAND Flash快閃記憶體的控制器，可解決的問題相當多，從效能、穩(wěn)定性、功能性...等方面考量，均可在控制器功能或規(guī)格設計階段進行改善，因為控制器在儲存子系統(tǒng)的定位，乃是為NAND Flash快閃記憶體元件與電子系統(tǒng)間提供標準化介面，讓系統(tǒng)設計者可以不用煩惱不同快閃記憶體元件來源、規(guī)格、時序要求，將儲存子系統(tǒng)的開發(fā)負荷降到最低。
多數(shù)采行分離式的設計方案中，開發(fā)過程會將NAND Flash快閃記憶體IC、控制器、相關(guān)電路元件同時設置于單一系統(tǒng)載板，在系統(tǒng)運行時控制器進行儲存系統(tǒng)識別，確認儲存系統(tǒng)讀寫、容量與相關(guān)系統(tǒng)資源訊息，再透過必要之初始化程序(低階格式化)讓系統(tǒng)可以支援NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的讀/寫需求。
也有一種方式是透過解決方案供應商提供的managed NAND解決方案，來解決前述的開發(fā)階段問題，此類方案會將整合式ATA控制器(或SATA)與多個NAND Flash快閃記憶體晶片進行結(jié)合，成為一組多晶片封裝的產(chǎn)品形式，相較前述的分離式儲存子系統(tǒng)方案，可提供一個更簡化且完整的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)，尤其這類解決方案在子系統(tǒng)的體積與整合優(yōu)勢相當高，因為整個儲存子系統(tǒng)已利用IC層次的整合方式，在系統(tǒng)開發(fā)階段也只要如同基本元件的套裝組合進行設計，一次搞定儲存子系統(tǒng)的應用需求。
針對開發(fā)階段需求的產(chǎn)品改善
managed NAND解決方案是一種采取緊密封裝的設計方式，基本上已完整地整合隨插即用的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)，由于managed NAND在制造階段為采購NAND Flash未封裝元件與控制器元件進行系統(tǒng)封裝，在元件的取得成本方面獲得有效壓縮，而采取系統(tǒng)封裝的方式讓單純的晶片即實踐NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)，更適合體積極度縮小化的嵌入式系統(tǒng)應用產(chǎn)品。
多數(shù)NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的效能與功能關(guān)鍵，多在于嵌入式快閃記憶體的檔案管理系統(tǒng)設計，記憶體檔案管理系統(tǒng)為管控主系統(tǒng)與快閃記憶體間的資料讀寫交換機制，從開發(fā)者的角度觀察，NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的檔案管理系統(tǒng)可大幅簡化寫入NAND Flash快閃記憶體的程序。
因為控制器可自動因應不同NAND Flash快閃記憶體供應商提供的元件，甚至可因應不同的元件特性進行最佳化讀/寫，另亦具備實時糾錯支援，并提供NAND Flash快閃記憶體元件缺陷修復能力。此外，NAND Flash快閃記憶體的檔案管理系統(tǒng)，還須具備支援平均寫入、延續(xù)元件使用壽命的最佳化功能，在存儲資料的完整性與儲存子系統(tǒng)的壽命方面，需更多的技術(shù)支援。
但在NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)方面，對于檔案系統(tǒng)的設計方式，目前仍為各技術(shù)供應商的關(guān)鍵技術(shù)，有些是針對低成本訴求的設計方式，為利用光罩以可程式化ROM建構(gòu)檔案系統(tǒng)，有些是利用可重復編程的記憶體來進行檔案系統(tǒng)建構(gòu)，兩者在架構(gòu)上有成本上的差異，也互有優(yōu)缺點。NAND Flash快閃記憶體儲存技術(shù)變動相當快速，對于采取初期具低成本的ROM進行檔案系統(tǒng)建構(gòu)，這表示每次系統(tǒng)異動都需要進行光罩程序加工，來寫入檔案系統(tǒng)的功能編程，這對整體的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)而言，其生產(chǎn)時程、錯誤修正的彈性較低，衍生的成本或許也會高一些。
如果采取的是如同‘韌體’的設計手段，把檔案系統(tǒng)與NAND Flash快閃記憶體控制關(guān)鍵功能，置放在可重復寫入、修改的儲存區(qū)段上，讓開發(fā)者可以相對快速、低成本的方式進行持續(xù)性的元件功能修改，這種模式或許可以得到最佳的開發(fā)效能，輕松因應不同的開發(fā)需求。
多數(shù)的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)開發(fā)中，針對壞區(qū)塊的管理也是極重要的一環(huán)！NAND Flash快閃記憶體為達到高良率要求，通常允許元件部分出現(xiàn)可接受的小量壞區(qū)塊，同時讓元件可在具壞區(qū)塊的現(xiàn)況下運行，而記憶體IC制造商會在產(chǎn)品資料中詳述記憶體元件中的壞區(qū)塊位置，開發(fā)商可在生產(chǎn)前的初始化程序，在NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)中的韌體標記壞區(qū)塊，或同時進行壞區(qū)塊管理程序，確認韌體不要將資料存取至已知的壞區(qū)塊中，同時，未來也可在元件出現(xiàn)額外的壞區(qū)塊時，進行韌體壞區(qū)塊標示的資料更新程序，改動最新的壞區(qū)塊映射圖。
基于壞區(qū)塊管理，也是NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)耐用性的考驗指標之一，NAND Flash快閃記憶體另一個最大的難題就是如何延續(xù)有限的使用次數(shù)！一般而言，NAND Flash快閃記憶體每個快閃記憶單元均有寫入次數(shù)限制，尤其在重復進行抹除/寫入壽命周期后，快閃記憶體的記錄單元將出現(xiàn)無法穩(wěn)定保存數(shù)據(jù)的問題，在制造商嘗試利用MLC或更小的線路進行晶片設計、以保有最大單位容量時，這問題也會被凸顯出來。
觀察其耐用度的差異，在制造方式為SLC時，單位位元的讀寫壽命周期可高達10萬次，但MLC制作之元件，單位位元的讀寫周期大多僅有1萬次水準。
在NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的控制器設計中，可于韌體進行損耗平衡的功能性設計，藉此減少大量集中抹寫同一個位元的機會，因為分散了抹寫的次數(shù)，即可讓整個NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的使用周期大幅增加，而不會因為部分記錄單元毀損而減少其使用壽命。損耗平衡技術(shù)的運行效能，關(guān)鍵就在于演算法的技術(shù)水平，透過區(qū)塊或頁面進行記憶體讀寫現(xiàn)況使用追蹤、記錄，將每個記憶單元的每次寫入累加于計數(shù)器進行計數(shù)，損耗平衡演算法亦可自動指示控制器，將資料寫入程序盡可能分攤至使用率較低的儲存區(qū)塊，進而延長NAND Flash快閃記憶體IC元件壽命。
然而，在開發(fā)NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)時，多數(shù)開發(fā)者關(guān)注的焦點大都會放在如何提升讀/寫效能，但相對于效能，有更重要的因素需被考慮進去！
在眾多技術(shù)手段上，ECC資料糾錯是一個相當常用的關(guān)鍵設計，尤其是在目前高密度的NAND Flash快閃記憶體設計方案中，例如MLC技術(shù)的NAND Flash快閃記憶體，就經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入或讀出錯誤，多半是鄰近資料讀/寫影響造成，而利用糾錯電路設計，則可以改善此問題。
目前采取MLC技術(shù)來提升記憶體儲存密度的設計方法已成為主流，但MLC出現(xiàn)位元錯誤的機率約為SLC的4倍，而在溫度的耐受性方面，MLC也往往容易因為溫度的變異而出現(xiàn)資料記錄錯誤，面對這些問題，MLC NAND Flash快閃記憶體需要更完善的ECC糾錯電路。
為了補償MLC較高的錯誤率，多數(shù)可由控制器的韌體進行糾錯處理，但此舉會造成無法減省的ECC糾錯程序，使得讀寫效能反而出現(xiàn)低下的狀況，為了改善此問題，在強調(diào)高效能的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)中，會嘗試將ECC糾錯技術(shù)以硬體方式實踐，例如采取8位元或更高位元的硬體ECC引擎，提高整體NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的資料讀/寫正確率，同時維持最高的資料讀/寫效能。
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