自問世以來，NAND閃存對ECC（糾錯碼）糾錯能力的要求越來越高。雖然這不是一個新問題，但是支持最新的多層單元（MLC）架構和每單元存儲三位數據（three-bit-per-cell）技術所需的ECC糾錯能力讓系統人員越來越難以應付。

　　過去，ECC一直被用于提高NAND閃存子系統的整體數據可靠性。但是，隨著NAND單元不斷縮小，每個浮柵內貯存的電子數量越來越少。因此，為彌補更小的存儲單元所產生的更高的位誤碼率，我們必須大幅提高ECC糾錯能力，以維持所需的系統可靠性。

　　隨著系統對ECC糾錯要求不斷提高，實現ECC邏輯所需的邏輯門數量也在增加，同時系統復雜性也隨之提高。例如，24位ECC需要大約200，000個邏輯門，而40位ECC則需要大約300，000個邏輯門。據估計，將來先進的ECC算法可能需要近100萬個邏輯門（如圖1所示）。

　　很多高性能閃存系統必須使用多通道NAND閃存才能實現理想的性能。在這些系統中，每個通道都有其自己的ECC邏輯。例如，一個10通道固態硬盤（SSD）需要實現10通道的ECC邏輯。假如10路通道中的每一路通道都需要60位ECC，那么僅ECC邏輯就需要300萬個邏輯門。

　　NAND閃存接口選擇

　　1.傳統NAND接口

　　傳統的NAND閃存接口是一種異步通信接口，雖然近幾年這種接口的速度已提高到50MHz，但是其它特性并沒有太大的變化。

　　幾年前，美光（Micron）與其它幾家富有遠見的公司共同成立了一家NAND閃存組織，旨在簡化業界存在的大量時序和指令標準。開放式NAND閃存接口（ONFI）聯盟發布了其第一版ONFI 1.0規范，與最初的規范相比，這個接口規范的最大特點是主處理器能夠通過電子方式識別所連接的閃存類型，以及其它重要的技術參數，如時序模式、頁面大小、塊大小、ECC要求等。該特性被所有的ONFI標準繼承下來，并且一直是所有ONFI標準的重要內容。

　　同步NAND接口的開發是ONFI聯盟取得的另一個重要成就，這一接口規范又稱為ONFI 2。目前，ONFI 2.2規范通過一個DDR源同步接口支持高達每秒20000萬次傳輸（200MT/s）。通電后該接口可用于異步通信模式。但是，對于更高的性能而言，當從異步模式轉換到同步通信模式時，主處理器會提前詢問閃存設備是否支持更高速的同步通信接口。

　　2.Direct NAND解決方案

　　該方案實現通過將NAND閃存芯片直接連接到主處理器或SSD控制器來管理NAND閃存。ECC算法交由硬件處理，而軟件通常執行所有的區塊管理和損耗均衡功能。初看起來該方案可能并不理想，但考慮到今天的嵌入式處理器典型運行速度達到數百兆赫茲，很多甚至超過千兆赫茲，這些高性能處理器能夠以更快的速度執行區塊管理，并利用確定性多線程技術來提高閃存性能。此外，由于主處理器直接管理閃存設備，主處理器軟件可以做出實時決定，這有助于避免因意外斷電而造成的風險。

　　如圖2所示，ONFI 2.2接口規范（200MT/s）最多可支持16個標準NAND閃存芯片，典型解決方案通常采用兩個8片NAND閃存封裝。標準8片100-BallBGA封裝含有兩條獨立的NAND總線（DQ［7:0］1和DQ［7:0］2），每條總線連接4片NAND閃存。閃存控制器通過兩個芯片使能信號控制每四片堆疊的裸片。典型設計是把兩條數據總線即DQ總線連接到一起，為每個封裝提供一條8位數據總線。最高配置由兩個內置8片裸片的100-Ball BGA封裝組成。為選定一個特定的NAND裸片，每個標準100-Ball BGA封裝需要提供四個芯片使能（CE#）控制。因此，為支持這種配置，主處理器或SSD控制器需要提供8個芯片使能信號。

　　3.ClearNAND解決方案

　　圖3顯示了兩個不同的系統實現：傳統的系統中主處理器或SSD控制器與NAND閃存直接相連；另一個系統則采用ClearNAND閃存芯片。兩種方案都采用相同的ONFI硬件接口和相似的100-Ball BGA封裝，不同之處是后者將一個薄型控制器與NAND閃存裸片整合在一個多芯片封裝（MCP）內。ClearNAND 控制器用于實現MCP封裝中NAND閃存所需的ECC算法。由于采用相同的ONFI異步或同步接口，設計人員可以輕松地從標準NAND閃存升級到 ClearNAND閃存。

　　美光公司的ClearNAND 閃存分為標準型和增強型兩個版本。標準型ClearNAND閃存主要用于消費電子設備，可實現所需的ECC功能，并提供便于閃存升級的傳統異步型ONFI總線。

　　增強型ClearNAND閃存能夠管理ECC算法，并提供多個對于企業應用頗具價值的關鍵功能。它還支持ONFI 2.2接口的異步和同步通信標準，可用存儲容量高達64GB。

　　通過改善ECC算法，兩款ClearNAND閃存都能夠實現下一代NAND閃存所需的ECC糾錯功能。這使得設計人員無需反復重新設計電路來支持制造商最新的NAND ECC要求。

　　增強型ClearNAND閃存

　　圖4所示為增強型ClearNAND閃存的架構。它支持1個ONFI 2.2接口和速度高達200MT/s的指令、地址和數據總線。VDDI去耦電容常見于e？MMC產品和內含控制器的其它閃存，用于對內部穩壓器進行去耦。為向后兼容傳統NAND閃存，VDDI連接放置在一個閑置引腳上。ClearNAND控制器支持兩條內部閃存總線，其中一條用于連接偶數編號的邏輯單元（LUN），另一條則連接奇數編號的邏輯單元。這兩條獨立閃存總線的速度高達200MT/s。此外，每條總線都配有各自的ECC引擎，可在兩條總線上同時管理讀操作或寫操作。可以預見，未來的控制器還將支持面向400MT/s的ONFI 3接口規范。

　　下面將討論增強型ClearNAND提供的四項高級功能：卷尋址、電子數據映像、中斷功能和內部回寫（copyback）。

　　卷尋址

　　卷尋址允許一個片選或芯片啟動信號（CE#）對16個ClearNAND卷進行尋址。每個 ClearNAND控制器支持在一個MCP封裝內堆疊8個裸片。ClearNAND控制器為主處理器或SSD控制器存取操作提供一個緩沖區。

　　如圖5所示，增強型ClearNAND設計將存儲容量擴大八倍，同時保持或提升了信號完整性，并減少了所需的有效芯片使能數量。這是因為對于SSD控制器，一個ClearNAND控制器僅代表一個負載，但是在一個MCP封裝內最多可支持八個NAND裸片。

　　卷尋址概念有兩層含義。第一層是為每個ClearNAND 封裝確定卷地址。卷地址僅在初始化時分配一次，并保存到電源重啟為止。第二層含義是卷選擇指令本身，在這個新指令后面緊跟一個單字節（實際上只有4位）卷地址。一旦目標地址被選擇，該地址就會保持被選狀態，直到另一個卷被選擇為止。這可以節省很多使能引腳。例如，一個32通道SSD需要8個使能引腳來控制兩個8裸片標準NAND封裝。上述32通道SSD示例需要總共256個使能引腳，而增強型ClearNAND卷尋址功能對相同數量的NAND閃存進行尋址只需32個使能引腳。此外，這相同的32個使能引腳可尋址容量是現有容量的八倍。

　　電子數據映像

　　增強型ClearNAND支持電子數據映像，這允許通過電子方式將數據總線信號順序重映射為兩種配置之一。這個功能對于PCB正反兩面都安裝ClearNAND閃存的高密度設計非常有用。利用一個特殊的初始化或復位序列，ClearNAND封裝能夠以電子方式檢測閃存是安裝在PCB的正面還是背面。例如，通常的做法是在上電后向閃存發送一個復位或FFh指令。為完成電子DQ映像，在執行完FFh指令后，主處理器必須接著執行傳統的READ STATUS（70h）指令。安裝在PCB正面的閃存檢測到FFh-70h命令序列；而安裝在PCB背面的閃存則檢測到FFh-0Eh命令序列，并向主處理器確認這是背面閃存封裝，然后重新將數據總線直接排在正面閃存的后面，這不僅可以改善PCB的布線，還能提高信號完整性。

　　Ready/Busy#被重新定義為中斷

　　增強型ClearNAND閃存將現有的ready/busy#引腳重新定義為一個中斷引腳。如圖6所示，interrupt#信號仍是開漏信號，當ClearNAND卷或裸片就緒時，它提供一個實時中斷信號。設計人員可以利用這個中斷信號向主處理器或SSD控制器提供閃存實時狀態。在一條總線上支持多個ClearNAND封裝的大型配置中，interrupt#信號線可以連接在一起。當檢測到一個中斷信號時，主處理器或SSD控制器只要詢問每個ClearNAND 封裝或卷，即可知道是哪個卷發送的新狀態信息。這個中斷功能可節省主處理器或SSD控制器上的信號數量，同時提高SSD控制器對狀態更新的響應能力。

　　內部回寫

　　內部回寫功能又稱為內部數據遷移（internal data move），是增強型ClearNAND 閃存最引人注目的特性之一。閃存的損耗均衡或碎片清理操作是指整理不同的NAND閃存頁面和區塊內的數據碎片，并將其合并成新的區塊或區塊序列，這個功能類似老式硬盤的磁盤碎片整理工具。對于這類操作，回寫功能可為SSD系統提供巨大的優勢。

　　再來看圖2，當使用標準NAND閃存時，將數據碎片從一個區塊轉移到另一個區塊通常需要執行下列操作：

　　SSD控制器發布一個READ指令和源地址以訪問數據源頁；SSD控制器從NAND閃存讀取數據，同時執行運算和必要的ECC糾錯操作，然后實現數據或元數據的更新操作；SSD控制器計算并加入新的ECC信息，然后發布新的PROGRAM指令、目的地址和數據序列，該操作將把數據保存到新的NAND閃存區塊內。

　　在這個連續的操作過程中，當數據從源地址移到目的地址時，總線處于被占用狀態，這個操作過程需要很長時間。假設一個8K的存儲頁，工作在200MT/s的ONFI 2.2同步總線需要大約 41μs來移動數據。因為數據必須移出再移進閃存，所以需要兩倍的時間即82μs，但這個時間不包含ECC所花費的時間。在執行這個序列的過程中，ONFI閃存總線始終處于占用狀態，不能處理其它任何操作。

　　與普通閃存不同，增強型ClearNAND閃存支持內部ECC。假如數據的源地址和目的地址都在ClearNAND封裝內，采用內部ECC可以在封裝內部執行回寫操作。SSD控制器仍負責發布指令和地址，以及經修改的數據或元數據。ClearNAND控制器執行數據遷移操作，而不會占用外部的ONFI數據總線。如果SSD控制器能夠把損耗均衡和碎片清理功能整合在一個ClearNAND封裝內，它將在性能方面具有更強的優勢。

　　圖7所示是一個在標識為通道0和通道1的兩路ONFI通道上采用增強型ClearNAND閃存的示例。在兩個SSD通道上，我們看到有四個內部數據遷移操作同步進行，數據移動并沒有占用外部ONFI總線。在必要時，這個特性允許SSD控制器和ONFI總線在ClearNAND封裝之間遷移數據。根據用戶所使用的架構，某些操作可能需要在ClearNAND封裝之間甚至ONFI總線之間進行。利用內部數據遷移操作，可大幅提升碎片清理和損耗均衡操作的性能。

　　本文小結

　　美光公司的增強型ClearNAND閃存為系統設計人員提供更高的性能和更多的功能，同時緩解了NAND閃存對ECC糾錯能力的日益嚴格的要求。增強型ClearNAND閃存支持與標準100-Ball BGA NAND閃存相似的焊球排列，用戶可以設計出同時支持這兩種封裝的產品。例如，該產品將使SSD主控制器擁有充足的ECC糾錯能力來直接支持SLC NAND閃存，選擇增強型ClearNAND閃存還能滿足ECC面臨更大挑戰的多級單元需求。

　　增強型ClearNAND閃存的卷尋址特性可使用更少的引腳實現更大容量尋址，從而為SSD方案中節省數百個引腳。電子數據映像功能可簡化PCB設計和走線，同時還能提高ONFI總線的信號完整性。智能中斷功能向SSD控制器提供實時狀態更新信息，并最大限度地縮小對固件的輪詢。兩路內部NAND閃存總線可改善回寫功能，從而提高閃存的性能。

　　作者：Jim Cooke

　　高級技術市場經理

　　美光公司