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闪存阵列:极速响应,激发数据价值

2017/8/4    来源:e-works    作者:e-works吴丽萍      
关键字:存储  闪存阵列  
闪存阵列主要是为了解决高IPOS和低延时的问题,针对海量数据中心业务,应用系统数据访问频度分布均匀,对IO性能要求很高,或者大规模应用整合后带来的高IO性能要求。
    随着固态存储技术的进步和成本不断降低,新兴的闪存阵列也正在开始用于增强磁盘阵列的环境的性能,或者取代传统的硬盘存储阵列。闪存阵列主要是为了解决高IPOS和低延时的问题,针对海量数据中心业务,应用系统数据访问频度分布均匀,对IO性能要求很高,如核心高性能数据库。或者大规模应用整合后带来的高IO性能要求,如高频交易、数据分析、服务器虚拟化或桌面虚拟化平台等。

     闪存阵列彻底改变了企业的存储环境,在迁移至全闪存阵列后,以往困扰存储已久的性能问题几乎完全得以解决,凭借其在高性能方面的优势、总体成本方面的竞争力以及便捷性,闪存阵列必将成为未来数据中心的首选。

    一、闪存阵列
   
    闪存阵列是由固态存储介质(通常是NAND闪存)构成的独立的存储阵列或设备。这些系统是用于增强可能包含磁盘阵列的环境的性能,用于取代所有传统的硬盘存储阵列。闪存阵列与固态硬盘(SSD) 间传输数据比电动机械磁盘驱动器快得多。利用其构建闪存阵列为提高存储系统容量、克服存储性能瓶颈和增强存储系统可靠性带来了契机。
    
    (一)闪存的概念
 
    闪存是一种非易失性存储器,可擦除,并可以在被称为块(block)的存储单元重新编程。它是可擦除可编程只读存储器(EEPROM)的一个发展;闪存具有非易失、性能高、功耗小、抗震性好等优势,闪存存储可以快速、可靠且一致地访问数据,闪存技术现在已经被更多的企业所使用;随着闪存芯片容量的增加和价格的下降,闪存芯片的部署正从移动设备中走到个人计算机以及大规模数据中心中去,越来越被人们关注。
 
    1、闪存的存储原理
 
    闪存的基本单元电路,与EEPROM类似,也是由双层浮空栅MOS管组成。但是第一层栅介质很薄,作为隧道氧化层。写入方法与EEPROM相同,在第二级浮空栅加以正电压,使电子进入第一级浮空栅。读出方法与EPROM相同。擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效应,把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除,因此各单元的源极联在一起,这样,快擦存储器不能按字节擦除,而是全片或分块擦除。 到后来,随着半导体技术的改进,闪存也实现了单晶体管(1T)的设计,主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅,在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子,有电子为0,无电子为1。
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图1 闪存存储原理
   
    2、闪存技术类型
 
    NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了NAND flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。
 
                        闪存技术类型
     图2 闪存两种技术原理
 
    NOR闪存更适合用来存储少量的代码,NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
 
    而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。 NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
 
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图3 闪存技术类型比较
   
   3、闪存颗粒分类
 
    现在主流的SSD的最基本组成单元都是是NAND,NAND利用对cell的充放电来表示信息0和1,当下主要有SLC、MLC、TLC和QLC四种。不同种类、不同工艺、不同技术水平的NAND闪存在读写速率、耐擦写能力以及存储密度上存在较大差异。
 
 电压状态
图4 四种闪存类型各自不同的电压状态  

 
    3.1 SLC 单层式储存 (Single Level Cell)
 
    SLC全称是单层式储存 (Single Level Cell),因为SLC的结构简单,在写入数据时电压变化的区间小,所以寿命较长,而且因为一组电压即可驱动,所以其速度表现更好。SLC的主要的特点就是速度快,寿命长(约10万次擦写寿命),价格超贵(约MLC的3倍以上价格);目前很多高端固态硬盘都是都采用SLC的闪存颗粒。
 
    3.2 MLC 多层式储存(Multi Level Cell)
 
    MLC全称是多层式储存(Multi Level Cell),MLC采用较高的电压驱动,通过不同级别的电压在一个块中记录两组位信息,这样就可以将原本SLC的记录密度理论提升一倍,以更高的存储密度换取更低的存储成本。MLC最大特点就是速度中等(相比SLC较慢),寿命中等(约1万次擦写寿命),价格比SLC便宜,是目前在固态硬盘中应用最为广泛的闪存颗粒。
 
    3.3 TLC 三层式存储(Triple Level Cell)
 
    TLC全称是三层式存储(Triple Level Cell),TLC采用三层存储单元,因此可以以较低的成本实现更大的容量。由于TLC拥有多达8个电平状态,因此在电位控制上更加复杂,特别是写入速度受影响,延迟增加。TLC的主要特点是速度较慢(相比MLC更慢),寿命更短(约500-1000次擦写寿命),价格更便宜(同容量下TLC的Die的尺寸比MLC小33%,因此价格也便宜了33%)。由于价格成本的原因,目前被广泛运用于消费级固态硬盘SSD中。
 
    3.4 QLC 四层式存储(Quad  Level Cell)
 
    QLC全称是四层式存储(Quad Level Cell),QLC闪存则是存储4位电荷,有16种状态。其单位存储密度更大,是TLC的2倍,单颗芯片可达到256GB甚至512GB。但是,正因如此,QLC闪存的电压更难控制,写入速度更低,可靠、稳定性及寿命比TLC更差,目前暂未大规模使用。目前东芝宣称,他们的QLC闪存拥有多达1000次左右的擦写次数,这比之前预估的150次要高出许多。这得益于东芝的QSBC纠错技术,据说比目前的LDPC要更加先进,但是究竟如何,就要拭目以待了。   
 
 
    3.5 企业级闪存颗粒
 
    在NAND Flash工厂制造处理过程中,厂商把晶元上最好的那部分Flash晶片挑选出来并用企业级的标准来检测晶片的数据完整性和耐久度。检测完成后,这些晶片被取下来改变内部参数并进行之后的比标准MLC更苛刻的测试。当这些晶片通过测试后,就被定义为eMLC级别组,余下的就成为MLC级别组了。 同理eSLC,eTLC就是从SLC,eTLC晶元上挑出来的优质晶片经过内参调整和企业级标准筛选的产物。换句话说,凡是前缀带“e”的,就是晶圆厂特供给SSD厂家的企业级闪存。与普通的MLC和TLC相比,这些企业级的闪存颗粒拥有更多的P/E数(寿命更长),稳定性方面也更为出色。
 
    举例说明:相对普通MLC来说,eMLC的不同之处主要体现在下面四个方面:
 
    *标称P/E数,34nm镁光的eMLC是30,000次,而MLC则是5000次。
 
    *eMLC擦写操作和编程操作所需要的时间相比MLC更长。(通过内参调整达到增加P/E的目的)
 
    *当使用完厂商保证的P/E数后,eMLC的数据保存期一般在3个月,而MLC的数据保存期在1年。
 
    *相对在的企业级应用下,使用eMLC的稳定性比MLC要高得多,也就是出错的概率更小。
 
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图5 闪存颗粒比较

责任编辑:吴丽萍
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