一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態(tài)硬盤控制器芯片架構

李 煒

(中電?？导瘓F有限公司，浙江 杭州 311121)

一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態(tài)硬盤控制器芯片架構

李 煒

(中電?？导瘓F有限公司，浙江 杭州 311121)

傳統企業(yè)級固態(tài)硬盤存儲芯片采用外接DRAM(Dynamic Random Access Memory)顆粒的方式來存儲閃存地址轉換映射表，不僅成本高，占用面積大，還需要設計復雜的掉電保護流程和額外的備電保持電容。利用新型磁旋存儲芯片的掉電非易失特性，以及密度高、速度快、功耗低、數據保持時間長、可擦寫次數無限等特點，提出了一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態(tài)硬盤控制器架構方案，能夠大大簡化控制器芯片的掉電異常流程和備電設計，節(jié)省固態(tài)硬盤內部的備電電容成本，有效支撐固態(tài)硬盤的容量提升。

磁旋存儲芯片；固態(tài)硬盤；芯片架構；嵌入式

0 引言

隨著大數據和云計算的發(fā)展，大量的數據需要進行存儲，另一方面，隨著NAND閃存(NAND Flash)工藝的進步和良率的提升，固態(tài)硬盤(Solid State Disk，SSD)的成本已經下降至接近企業(yè)級機械硬盤(Hard Disk Drive)相當的水平，SSD在服務器、數據中心以及存儲系統中的應用越來越廣泛。

傳統的企業(yè)級SSD控制器大多采用基于DRAM方案的數據和表項存儲方案，不僅設計難度大，掉電異常流程復雜，而且在SSD盤內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利用空間，無法做到SSD的容量提升。

本文將嵌入式磁旋存儲芯片(Spin-Transfer-Torque Magnetic Random Access Memory, STT-MRAM)應用于SSD控制器芯片架構設計中，能夠簡化掉電異常流程，節(jié)省SSD盤內備電電容，并可以提升硬盤容量達30%以上。

1 當前固態(tài)硬盤控制器架構方案簡介

圖1為當前主流企業(yè)級固態(tài)硬盤架構方案示意圖。

圖1 主流SSD控制器芯片架構圖

當前的固態(tài)硬盤控制器芯片分為前端主機接口模塊、系統管理模塊、后端Flash接口模塊幾個主要的部分。

前端主機接口模塊主要負責接收和處理主機側下發(fā)的讀寫命令并將數據接收下來存到DRAM中。企業(yè)級SSD中，由于對性能要求高，前端主機接口基本上選用基于NVMe(Non-Volatile Memory Express)協議的第三代PCIe(PCI Express)的接口，除此之外，SAS(Serial Attached SCSI)12 G和SATA(Serial ATA)接口也是當前SSD前端主機接口的主流協議。

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

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

系統管理模塊的作用主要包括下面幾點：FTL表項管理；垃圾回收的處理；增量空間的供給；冷/熱數據的交換處理；Plane、芯片、通道間的并行處理；任務請求的排序；緩沖區(qū)的管理；壞塊的管理；磨損平衡的處理；掉電恢復的處理；ECC的處理。

NAND Flash Interface主要負責處理NAND Flash顆粒的數據與命令交換。NFI負責把主機側的讀寫命令轉化成兼容ONFI和Toggle的標準NAND接口協議，并在NAND顆粒與控制器數據緩存之間做數據的讀寫交互。

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，還包括下列幾個主要組成部分：

(1)外掛DRAM顆粒在SSD盤片的作用主要有兩個方面：作為讀寫數據的緩存及存取FTL映射表。為了滿足此設計需求，控制器芯片設計中為了適配DDR協議，需要開發(fā)DDR Controller與DDR PHY進行適配，PCB上還要預留額外空間進行DRAM顆粒的排布以及高速信號布局布線。

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

傳統SSD控制器芯片架構的不足在于以下幾點：

(1)由于企業(yè)級業(yè)內常用的方案是用外接DRAM顆粒來存儲FTL表項，因此在芯片內部需要額外的DDRPHY和DDR 控制器進行適配，開發(fā)DDR控制器和DDR PHY的難度相當大，而從EDA vendor處進行IP 授權的費用又相當昂貴，因此會增大設計開發(fā)成本。

(2)盤片內部空間限制，如圖2所示為標準2.5英寸SSD的印制電路板(PCB)示意圖。從國內某著名公司生產的企業(yè)級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。

圖2 SSD盤片內部示意圖

(3)企業(yè)級SSD對于數據可靠性的要求極高，其設計時必須考慮在各種異常情況下(如異常掉電)能夠把控制器內部的最核心內容—FTL表安全可靠地存儲到非易失性介質中。在常規(guī)企業(yè)級SSD控制器芯片架構中，DRAM內部存儲著FTL表項，因此在遭遇掉電異常時，需要把DRAM內部的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間內，控制器能夠將FTL表項的數據以寫操作的形式存儲到NAND Flash中。因此在備電設計上，一是需要消耗數量巨大的貼片式鉭電容來提供備電能量，導致PCB上的可用空間會進一步縮小，二是備電涉及到數據的異常處理流程，會提高硬件以及固件設計的復雜度。

2 磁旋存儲芯片(STT-MRAM)的特點

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

當前，眾多半導體設計大廠都將MRAM芯片作為下一代非易失性存儲介質的研發(fā)重點，除了臺積電、三星和東芝一直在持續(xù)推進STT-MRAM的研發(fā)之外，美國的EVERSPIN公司已經發(fā)布了256 MB的量產測試芯片。隨著工藝的進步和良率的提升，STT-MRAM在存儲細分領域中的應用將會越來越廣泛[2]。

將嵌入式STT-MRAM應用在SSD控制器芯片架構設計中，充分利用其掉電不易失數據的特性，能夠節(jié)省大量的備電設計和備電流程，極大地簡化SSD的控制器架構設計。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，達成更大的容量。除此之外，簡化了控制器芯片內部的DDR接口相關IP設計，利用嵌入式STT-MRAM的內部總線接口(SRAM-like)，既簡化了設計難度又能夠減少板上走線的信號延時，避免對接口高速信號的影響。

3 基于嵌入式磁旋存儲的SSD控制器架構方案

圖3為應用嵌入式STT-MRAM之后的SSD控制器芯片架構示意圖。

圖3 基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片架構圖

本方案的技術特征在于：

(1)移除SSD控制器芯片內部的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部。

SRAM-like的總線接口信號包括片選CS、寫使能WE、讀使能RE、輸出使能信號OE、復位RST、時鐘CLK、地址線A[31:0]、數據輸入線DIN[31:0]及數據輸出線DOUT[31:0]。采用內部總線接口與控制器內部模塊進行交互，能夠極大地減少信號線傳輸延時以及外部接口協議帶來的額外開銷，進一步提升控制器的性能。

(2)STT-MRAM的主要作用在于：接收前端主機接口下發(fā)的數據，作為與后端Flash接口的數據緩存；存儲閃存地址轉換層表項；存儲元數據，如有效頁個數、壞塊管理信息、固件、啟動代碼、稀疏校驗矩陣等。

(3)備電流程的簡化。在傳統的SSD控制器芯片架構中，由于數據以及FTL表項都是存儲在DRAM中，而DRAM具有掉電易失數據的特性，因此為保證數據可靠性，在遭遇到異常掉電的情形下，傳統控制器芯片需要在板上備電電容的電量支撐下，主動發(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，當下一次上電后，控制器需要發(fā)起讀操作再將FTL表項等數據重新讀取到DRAM中，完成系統的初始化。圖4為SSD異常掉電流程圖。

在本架構方案中，由于嵌入式STT-MRAM的掉電非易失特性，在遭遇到掉電異常時，數據和FTL表項依然可以安全地進行存儲，因此系統備電流程將會被極大地簡化。盤片內部用來做備電的鉭電容也能夠去除，節(jié)省盤片內部的硬件設計成本。根據一款900 GB的SAS接口的企業(yè)級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多個鉭電容。如果采用本架構方案，能夠將這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%。

圖4 SSD異常掉電流程圖

4 結論

本文提出的基于嵌入式STT-MRAM的固態(tài)硬盤控制器架構，能夠極大地簡化控制器內關于FTL表項的備電流程，簡化盤片內的PCB設計難度和成本，在提升SSD讀寫性能的同時能夠有效支撐SSD做到更大的容量。隨著STT-MRAM的工藝技術進步和良率的提升，磁旋存儲芯片必將在更多的存儲細分領域中得到廣泛的應用。

[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.

A SSD controller architecture based on embedded STT-MRAM

Li Wei

(China Electronics Technology HIK Group Co., Ltd., Hangzhou 311121, China)

Traditional enterprise Solid-State Disk (SSD) memory chip uses external Dynamic-Random-Access-Memory (DRAM) to store the flash address translate layer mapping table (FTL), this method is high cost, big area occupied, also needs complex power-loss protection flow and extra power backup capacitor. By using new non-volatile memory (NVM) like Spin-Transfer-Torque Magnetic Random Access Memory (STT-MRAM), it has a lot of benefits suck as non-volatile, high density, high speed, low power, long data retention time and unlimited program/erase cycle, proposed a new SSD controller architecture by using embedded STT-MRAM. This proposal can greatly simplify the controller power-loss protection flow and power backup design, save the power capacitor cost inside SSD, also can support the SSD big capacity requirement.Key words: STT-MRAM; Solid State Disk (SSD); architecture; embedded

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.009

李煒. 一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態(tài)硬盤控制器芯片架構[J].微型機與應用，2017,36(1)：29-31.

2016-08-03)

李煒(1981-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：SoC芯片設計，磁旋存儲芯片設計與應用。