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AXD TurboMLC技术-使MLC闪存芯片达到几乎SLC芯片寿命以及效能

AXD安信达是一家专业SSD固态硬盘制造商,客户涵盖诸多工业客户与企业用户,这类客户诸多选用搭载SLC产品,但是SLC成本较高,为降低产品成本提高产品使用寿命,为客户带来极具性价比的TurboMLC®技术。

在介绍AXD TurboMLC®技术原理前介绍一下NAND闪存的类型,带你们理解此技术的重要性,目前主要有三种:单层的SLC,速度快、耐用性好,但是成本高、容量小,多用在企业级产品中;多层的MLC,成本低,容量大,但是速度慢、耐用性一般,是消费级固态硬盘的主力;三层的TLC,成本最低廉,但是耐用性最差,常用于入门级低价产品。

   目前市面上的固态硬盘所采用的闪存芯片主要有MLC(Multi-Level Cell)和TLC(Trinary-Level Cell)两种,AXD安信达主要定位工业嵌入式以军工领域使用的都是最好的SLC闪存芯片和高PE值高寿命的MLC闪存芯片 ,从而保障AXD SSD固态硬盘 DOM电子盘系列产品的优良性能,为用户提供长久可靠的使用体验。

  SLC:
SLC全称单层式储存 (Single Level Cell),是指一个Block(块,Flash的基本存储单元,也可称为Cell)只有两种电荷值,高低不同的电荷值表明0或者1,因为只需要一组高低电压就可以区分出0或者1信号,所以SLC最大的驱动电压可以做到很低
              
                                        (图1)
SLC因为结构简单( 图1 ),在写入数据时电压变化的区间小,所以寿命较长,传统的SLC Flash可以经受10万次的读写,因此出现坏Block的几率较小,因为存储结构非常简单,一组电压即可驱动,所以其速度表现更好,目前所有的超高速卡都采用SLC类型的Flash芯片。不过这种一个Block只存储一组数据的模式无法在相同的晶圆面积上实现较高的存储密度,所以只能在工艺制程方面努力进步,才能满足用户在容量方面的要求。


MLC:
MLC全称多层式储存(Multi Leveled Cell)是那种充分利用Block的技术,它采用较高的电压驱动,通过不同级别的电压在一个Block中记录两组位信息(00、01、11、10),这样就可以将原本SLC的记录密度理论提升一倍(图2),
         
                                  (图2)
  这对于曾经工艺制程遇到瓶颈的NAND Flash而言,是非常好的消息。不过MLC除了同制程、同晶圆面积时理论大一倍的记录空间外,存在一些先天的弊端,比如说电压区间更小,Flash就需要更多的CRC校验空间,这会大概占据Block中10%的空间,因此实际使用中同制程同晶圆面积的MLC的容量不到SLC的一倍。因为电压变化更频繁,所以MLC技术的Flash在寿命方面远劣于SLC,官方给出的可擦写次数仅为1万次,也就是说一张512MB的USB闪存盘,你写入512MB的数据1万次(理想状态),它就完蛋了,这可能是MLC最要命的一个缺点。MLC技术的Flash还有一个缺点,它的读写速度先天不如SLC,一个Block存储两组位数据,自然需要更长的时间,这里面还有电压控制、CRC写入方式等因素需要考虑。综合而言,SLC在寿命和性能方面拥有独特的优势,不过需要更好的工艺制程才能拥有较大的容量。而MLC虽然在容量方面有先天的优势,但在速度和寿命方面存在先天的不足。


TLC:
TLC 全称(Trinary-Level Cell)即3bit/cell,也有Flash厂家叫8LC,速度慢寿命短,价格便宜,约500次擦写寿命,目前还没有厂家能做到1000次,TLC目前较多使用在要求不高的USB 存储卡低端产品, 
   TLC从成本考虑,采用了三层设计,即每1个单元同一时间存储3位数据。其特点是存储密度高,相同存储空间的制造成本更低,但代价是相对较低的写入速度和较差的耐久力。TLC芯片的P/E(闪存颗粒存储次数)约为500~1K,有8种存储状态,分别是000、001、010、100、011、101、110、111。

总结:

  MLC是低成本解决方案,而SLC高性能高成本的代表者,两者的性能(尤其是随机写入方面)、读写寿命都存在很大差异,

(图3)来解释为什么三种不同类型的FLASH成本相差如此大,简单的说明就是做一颗16GB SLC=一颗32GB MLC=一颗48GB TLC。

AXD TurboMLC®技术原理:
AXD安信达开发专门的技术突破硬件限制,开发出独立FW固件用轫体模拟SLC的写入方式,大幅提升效能,十分适合需要大容量的储存解决方案,每个储存单位上仅有0和1的储存状态,提高电压的容许差,就如同SLC的韧体设计一样,因此,能达到SLC的稳定度与耐受度。

  


硬件设计:

 在Controlle和FLASH基础上加入TurboMLC技术使其突破硬件限制并且能够支持模拟,

 

 

软件固件设计:
在硬件技术支持下,编译固件算法把MLC闪存的2bpc(每单元两个比特位)重新编程为1bpc,以增加每一层之间的敏感度,让闪存的工作方式更像是SLC(见下图)
TurboMLC和MLC韧体设计的差别
  

   
TurboMLC技术特点:
      擦写寿命:平均可以经受30000次编程/擦写循环(P/E),对比MLC 3000次左右的寿命提高了一个数量级,并且已经达到新一代SLC的一半左右
      性能提升:在性能上,采用TurboMLC技术的固态硬盘的写入速度大概有SLC NAND的70%,相比MLC NAND要快很多。
  实际应用中表现:
      容量:TurboMLC原理是把2bit重新编写为1bie,被编写的MLC容量会降低一半,比如8GB采用TurboMLC后容量会降低一半变成4GB。
        
      性能:下图为采用TurboMLC技术的固态硬盘(示意图2)和没有采用的固态硬盘(示意图1)性能表。
               (示意图1-2为AXD-SAQ 固态硬采用相同2颗4GB MLC芯片)

    
             (示意图1)                           (示意图2)
            对比相同容量的SLC芯片(示意图3)
               
                      (示意图3)

            

寿命:相对于性能TurboMLC技术提高的更多的是MLC擦写寿命。以下示意图说明TurboMLC技术对MLC的擦写次数提升。


 
原本寿命只有3000 P/E的MLC NAND在采用TurboMLC技术后,寿命将变为30000 P/E,虽然相比老制成SLC NAND的100000 P/E和新制成的60000P/E的SLC NAND而言还有一段差距,但相比MLC NAND已经是一次几何级的飞跃。如果在一块采用TurboMLC技术的32GB固态硬盘上做写入操作,按照每天写入320GB来计算,也能连续写入7.6年,而换成MLC则只能坚持不到1年。

                               MLC vs SLCmode vs SLC comparison(错误码率对比)

 

AXD安信达--作为专业工业嵌入式固态存储解决方案制造商,提供DOM盘,SATA电子硬盘,IDE DOM电子盘,工业级SSD,宽温军工级硬盘,单芯片级集成SSD,嵌入式存储卡等固态存储产品研发生产制造以及相关服务。
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