李煒

　　（中電海康集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311121）

       摘要：傳統(tǒng)企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤存儲(chǔ)芯片采用外接DRAM(Dynamic Random Access Memory)顆粒的方式來存儲(chǔ)閃存地址轉(zhuǎn)換映射表，不僅成本高，占用面積大，還需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的掉電保護(hù)流程和額外的備電保持電容。利用新型磁旋存儲(chǔ)芯片的掉電非易失特性，以及密度高、速度快、功耗低、數(shù)據(jù)保持時(shí)間長、可擦寫次數(shù)無限等特點(diǎn)，提出了一種基于嵌入式磁旋存儲(chǔ)芯片的固態(tài)硬盤控制器架構(gòu)方案，能夠大大簡化控制器芯片的掉電異常流程和備電設(shè)計(jì)，節(jié)省固態(tài)硬盤內(nèi)部的備電電容成本，有效支撐固態(tài)硬盤的容量提升。

　　關(guān)鍵詞：磁旋存儲(chǔ)芯片；固態(tài)硬盤；芯片架構(gòu)；嵌入式

　　中圖分類號(hào)：TN492文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.009

　　引用格式：李煒. 一種基于嵌入式磁旋存儲(chǔ)芯片的固態(tài)硬盤控制器芯片架構(gòu)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：2931.

　　0引言

　　隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的發(fā)展，大量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)，另一方面，隨著NAND閃存（NAND Flash）工藝的進(jìn)步和良率的提升，固態(tài)硬盤（Solid State Disk，SSD）的成本已經(jīng)下降至接近企業(yè)級(jí)機(jī)械硬盤（Hard Disk Drive）相當(dāng)?shù)乃剑琒SD在服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心以及存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。

　　傳統(tǒng)的企業(yè)級(jí)SSD控制器大多采用基于DRAM方案的數(shù)據(jù)和表項(xiàng)存儲(chǔ)方案，不僅設(shè)計(jì)難度大，掉電異常流程復(fù)雜，而且在SSD盤內(nèi)需要占用大量的空間用來擺放備電鉭電容，既增加了成本又制約了盤內(nèi)利用空間，無法做到SSD的容量提升。

　　本文將嵌入式磁旋存儲(chǔ)芯片（SpinTransferTorque Magnetic Random Access Memory, STTMRAM）應(yīng)用于SSD控制器芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)中，能夠簡化掉電異常流程，節(jié)省SSD盤內(nèi)備電電容，并可以提升硬盤容量達(dá)30%以上。

1當(dāng)前固態(tài)硬盤控制器架構(gòu)方案簡介

　　圖1為當(dāng)前主流企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤架構(gòu)方案示意圖。

　　當(dāng)前的固態(tài)硬盤控制器芯片分為前端主機(jī)接口模塊、系統(tǒng)管理模塊、后端Flash接口模塊幾個(gè)主要的部分。

　　前端主機(jī)接口模塊主要負(fù)責(zé)接收和處理主機(jī)側(cè)下發(fā)的讀寫命令并將數(shù)據(jù)接收下來存到DRAM中。企業(yè)級(jí)SSD中，由于對(duì)性能要求高，前端主機(jī)接口基本上選用基于NVMe（NonVolatile Memory Express）協(xié)議的第三代PCIe（PCI Express）的接口，除此之外，SAS（Serial Attached SCSI)12 G和SATA(Serial ATA）接口也是當(dāng)前SSD前端主機(jī)接口的主流協(xié)議。

　　系統(tǒng)管理模塊是SSD控制器芯片的最核心單元，包括閃存地址映射表（Flash Translate Layer，F(xiàn)TL）管理、元數(shù)據(jù)管理、日志管理、流程控制等。其中FTL表項(xiàng)管理是其中最重要的部分。

　　FTL主要處理主機(jī)下發(fā)的邏輯地址（Logic Block Address，LBA）到介質(zhì)顆粒里存儲(chǔ)的物理地址（Physical Block Address, PBA）之間的映射表，是讓閃存完全模擬傳統(tǒng)硬盤操作的軟件層，有了FTL層閃存設(shè)備才能使用，F(xiàn)TL層的效率直接影響設(shè)備的性能表現(xiàn)。

　　系統(tǒng)管理模塊的作用主要包括下面幾點(diǎn)：FTL表項(xiàng)管理；垃圾回收的處理；增量空間的供給；冷/熱數(shù)據(jù)的交換處理；Plane、芯片、通道間的并行處理；任務(wù)請(qǐng)求的排序；緩沖區(qū)的管理；壞塊的管理；磨損平衡的處理；掉電恢復(fù)的處理；ECC的處理。

　　NAND Flash Interface主要負(fù)責(zé)處理NAND Flash顆粒的數(shù)據(jù)與命令交換。NFI負(fù)責(zé)把主機(jī)側(cè)的讀寫命令轉(zhuǎn)化成兼容ONFI和Toggle的標(biāo)準(zhǔn)NAND接口協(xié)議，并在NAND顆粒與控制器數(shù)據(jù)緩存之間做數(shù)據(jù)的讀寫交互。

　　在SSD盤片的PCB板上，除了控制器芯片和大量的NAND Flash顆粒之外，還包括下列幾個(gè)主要組成部分：

　　(1)外掛DRAM顆粒在SSD盤片的作用主要有兩個(gè)方面：作為讀寫數(shù)據(jù)的緩存及存取FTL映射表。為了滿足此設(shè)計(jì)需求，控制器芯片設(shè)計(jì)中為了適配DDR協(xié)議，需要開發(fā)DDR Controller與DDR PHY進(jìn)行適配，PCB上還要預(yù)留額外空間進(jìn)行DRAM顆粒的排布以及高速信號(hào)布局布線。

　　（2）Electrical Capacity（備電電容）的作用是為了在意外掉電的情況下，能夠及時(shí)地把DRAM顆粒中存儲(chǔ)的FTL表項(xiàng)在備電電容電量的支撐下，安全及時(shí)地下刷至非易失性介質(zhì)(NAND Flash)，防止FTL表項(xiàng)丟失引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失情況。

　　傳統(tǒng)SSD控制器芯片架構(gòu)的不足在于以下幾點(diǎn)：

　　(1)由于企業(yè)級(jí)業(yè)內(nèi)常用的方案是用外接DRAM顆粒來存儲(chǔ)FTL表項(xiàng)，因此在芯片內(nèi)部需要額外的DDRPHY和DDR 控制器進(jìn)行適配，開發(fā)DDR控制器和DDR PHY的難度相當(dāng)大，而從EDA vendor處進(jìn)行IP 授權(quán)的費(fèi)用又相當(dāng)昂貴，因此會(huì)增大設(shè)計(jì)開發(fā)成本。

　　(2)盤片內(nèi)部空間限制，如圖2所示為標(biāo)準(zhǔn)2.5英寸SSD的印制電路板（PCB）示意圖。從國內(nèi)某著名公司生產(chǎn)的企業(yè)級(jí)SSD盤片剖解可以看出，SSD硬盤的PCB板大約80%的空間是布滿了閃存介質(zhì)顆粒，另外20%的空間擺放SSD控制器芯片、DRAM顆粒及備電電容等。

　　（3）企業(yè)級(jí)SSD對(duì)于數(shù)據(jù)可靠性的要求極高，其設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在各種異常情況下（如異常掉電）能夠把控制器內(nèi)部的最核心內(nèi)容—FTL表安全可靠地存儲(chǔ)到非易失性介質(zhì)中。在常規(guī)企業(yè)級(jí)SSD控制器芯片架構(gòu)中，DRAM內(nèi)部存儲(chǔ)著FTL表項(xiàng)，因此在遭遇掉電異常時(shí)，需要把DRAM內(nèi)部的FTL表下刷至NAND Flash中。簡而言之，就是要在備電電容支撐電量的這一小段時(shí)間內(nèi)，控制器能夠?qū)TL表項(xiàng)的數(shù)據(jù)以寫操作的形式存儲(chǔ)到NAND Flash中。因此在備電設(shè)計(jì)上，一是需要消耗數(shù)量巨大的貼片式鉭電容來提供備電能量，導(dǎo)致PCB上的可用空間會(huì)進(jìn)一步縮小，二是備電涉及到數(shù)據(jù)的異常處理流程，會(huì)提高硬件以及固件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

2磁旋存儲(chǔ)芯片(STTMRAM)的特點(diǎn)

　　在眾多新型非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)中，磁旋存儲(chǔ)芯片（STTMRAM）能夠良好地與CMOS半導(dǎo)體工藝相兼容，利用較少的金屬層即可以做到存儲(chǔ)單元的高密度集成。同時(shí)由于其接近于靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory, SRAM）的讀寫速度，極低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，具備掉電不易失的特性，接近于無限的擦寫次數(shù)，高溫下長時(shí)間的數(shù)據(jù)保持能力以及抗強(qiáng)磁場輻射等特性，是作為企業(yè)級(jí)SSD控制器中數(shù)據(jù)緩存和FTL表項(xiàng)存儲(chǔ)的天生優(yōu)良介質(zhì)［1］。

　　當(dāng)前，眾多半導(dǎo)體設(shè)計(jì)大廠都將MRAM芯片作為下一代非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)的研發(fā)重點(diǎn)，除了臺(tái)積電、三星和東芝一直在持續(xù)推進(jìn)STTMRAM的研發(fā)之外，美國的EVERSPIN公司已經(jīng)發(fā)布了256 MB的量產(chǎn)測試芯片。隨著工藝的進(jìn)步和良率的提升，STTMRAM在存儲(chǔ)細(xì)分領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛［2］。

　　將嵌入式STT-MRAM應(yīng)用在SSD控制器芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分利用其掉電不易失數(shù)據(jù)的特性，能夠節(jié)省大量的備電設(shè)計(jì)和備電流程，極大地簡化SSD的控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，由于節(jié)省了貼片式鉭電容，在PCB板上能夠留取更大的空間來支撐更多的NAND Flash顆粒的放置，達(dá)成更大的容量。除此之外，簡化了控制器芯片內(nèi)部的DDR接口相關(guān)IP設(shè)計(jì)，利用嵌入式STTMRAM的內(nèi)部總線接口（SRAMlike），既簡化了設(shè)計(jì)難度又能夠減少板上走線的信號(hào)延時(shí)，避免對(duì)接口高速信號(hào)的影響。

3基于嵌入式磁旋存儲(chǔ)的SSD控制器架構(gòu)方案

　　圖3為應(yīng)用嵌入式STTMRAM之后的SSD控制器芯片架構(gòu)示意圖。

　　本方案的技術(shù)特征在于：

　　（1）移除SSD控制器芯片內(nèi)部的DDR控制器和DDR PHY，直接以類SRAM（SRAMlike）的接口形式將嵌入式STTMRAM集成在控制器芯片內(nèi)部。

　　SRAMlike的總線接口信號(hào)包括片選CS、寫使能WE、讀使能RE、輸出使能信號(hào)OE、復(fù)位RST、時(shí)鐘CLK、地址線A［31:0］、數(shù)據(jù)輸入線DIN［31:0］及數(shù)據(jù)輸出線DOUT［31:0］。采用內(nèi)部總線接口與控制器內(nèi)部模塊進(jìn)行交互，能夠極大地減少信號(hào)線傳輸延時(shí)以及外部接口協(xié)議帶來的額外開銷，進(jìn)一步提升控制器的性能。

　　（2）STT-MRAM的主要作用在于：接收前端主機(jī)接口下發(fā)的數(shù)據(jù)，作為與后端Flash接口的數(shù)據(jù)緩存；存儲(chǔ)閃存地址轉(zhuǎn)換層表項(xiàng)；存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)，如有效頁個(gè)數(shù)、壞塊管理信息、固件、啟動(dòng)代碼、稀疏校驗(yàn)矩陣等。

　　(3)備電流程的簡化。在傳統(tǒng)的SSD控制器芯片架構(gòu)中，由于數(shù)據(jù)以及FTL表項(xiàng)都是存儲(chǔ)在DRAM中，而DRAM具有掉電易失數(shù)據(jù)的特性，因此為保證數(shù)據(jù)可靠性，在遭遇到異常掉電的情形下，傳統(tǒng)控制器芯片需要在板上備電電容的電量支撐下，主動(dòng)發(fā)起Flash的寫操作，將需要保存的重要信息全部下刷到非易失的閃存中，當(dāng)下一次上電后，控制器需要發(fā)起讀操作再將FTL表項(xiàng)等數(shù)據(jù)重新讀取到DRAM中，完成系統(tǒng)的初始化。圖4為SSD異常掉電流程圖。

　　在本架構(gòu)方案中，由于嵌入式STTMRAM的掉電非易失特性，在遭遇到掉電異常時(shí)，數(shù)據(jù)和FTL表項(xiàng)依然可圖4SSD異常掉電流程圖以安全地進(jìn)行存儲(chǔ)，因此系統(tǒng)備電流程將會(huì)被極大地簡化。盤片內(nèi)部用來做備電的鉭電容也能夠去除，節(jié)省盤片內(nèi)部的硬件設(shè)計(jì)成本。根據(jù)一款900 GB的SAS接口的企業(yè)級(jí)SSD盤片的解剖分析可以看到， 為了滿足備電需求，盤片PCB上一共放置了共400多個(gè)鉭電容。如果采用本架構(gòu)方案，能夠?qū)⑦@些額外的鉭電容全部移除，一方面節(jié)省了硬件元器件成本，另一方面利用鉭電容移除的PCB面積來貼NAND Flash顆粒，至少能夠使SSD盤容量提升20%。

4結(jié)論

　　本文提出的基于嵌入式STTMRAM的固態(tài)硬盤控制器架構(gòu)，能夠極大地簡化控制器內(nèi)關(guān)于FTL表項(xiàng)的備電流程，簡化盤片內(nèi)的PCB設(shè)計(jì)難度和成本，在提升SSD讀寫性能的同時(shí)能夠有效支撐SSD做到更大的容量。隨著STTMRAM的工藝技術(shù)進(jìn)步和良率的提升，磁旋存儲(chǔ)芯片必將在更多的存儲(chǔ)細(xì)分領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ TANG D D， LEE Y J. Magnetic memory fundamentals and technology［M］. England： Cambridge University Press，2010.

　　［2］ Xie Yuan. Emerging memory technologies: design, architecture, and applications［M］. Germany: Springer, 2014.