圍繞基于NAND閃存的存儲系統的對話已經變得混亂。通常，當人們討論存儲時，他們只談論NAND閃存，而忽略了單獨的，但同樣重要的組件，即控制器。但是為什么需要控制器呢？簡單地說，沒有它，一切都不起作用。

NAND 閃存控制器（簡稱“控制器”）專為不同的接口（如 PCIe、eMMC、標清、SATA 和 USB）而設計，具有不同的質量和不同的用例。它們的共同點是它們管理NAND閃存上的數據。在過去的十年中，這種存儲技術變得越來越流行，如果沒有它，就無法想象我們今天的世界。

在復雜的控制器和固件的幫助下，NAND閃存技術向3D結構發展的穩步發展，成功地取代了HDD成為使用最廣泛的大容量存儲介質。同時，為了執行糾錯、映射、垃圾回收和數據刷新等任務，控制器面臨的挑戰也越來越大。

那么，一個控制器及其固件相對于另一個控制器有什么優勢，有什么區別呢？

控制器及其基本功能：

控制器是任何NAND閃存存儲系統背后的大腦。它確保從主機接收的數據被發送到閃存，并可以在以后檢索。它將主機系統的讀/寫/狀態命令轉換并修改為閃存組件的各種讀/寫/狀態命令。它還將主機的邏輯塊地址 （LBA） 或扇區地址（由文件系統管理）轉換為閃存上的地址，這些地址被組織成塊和頁面。該控制器可確保兩側的兼容性，并處理任何固有的閃光缺陷。

為什么不使用一個小程序將數據寫入閃存呢？當然，這不可能那么困難！

NAND 閃存本質上是不可靠的。這是因為半導體（其中NAND閃存是其中一種類型）在運行過程中產生的熱量會受到顯著的應力。此外，電子在硅內遷移，隨著時間的推移破壞內部結構。由于熱量會移動電子，因此隨著熱量的增加，所有老化過程都會呈指數級加速。半導體內的幾何形狀或電池結構越小，器件就越容易受到這些影響的影響。今天的半導體具有比以往更小的結構，需要大量的開發才能充分解決這些影響。

同時，不同的應用領域有不同的要求。用于消費產品的半導體將每天運行六小時，每周五天，主要在室溫下運行五年，其設計將與在室外環境中全天候運行十多年的工業產品不同。同時，每個區域需要存儲的數據量也在不斷增加。閃存開發人員對此的回答是進入第三維度。

越新越好！讓我們去3D閃光燈，它也更便宜，不是嗎？

基于NAND閃存的設備具有低功耗，高速和可靠性的優點。硅芯片的成本與面積成正比，并且在很大程度上與它上面的內容無關。因此，NAND閃存的每字節成本取決于在任何給定大小的芯片上可以存儲多少位。在這方面，已經使用了幾種技術來增加NAND閃存的存儲密度。

第一種技術是減小每個細胞的大小。但是，這種大小的減小達到了其邏輯極限。它還導致了一些不良的副作用，例如較大的漏電流和較高的錯誤率。

另一種技術是在每個單元格中存儲更多位。現代閃存不是只能存儲一位數據的單級單元（SLC），而是每個單元可以存儲兩個（MLC），三個（TLC）或四個（QLC）位，并且這種發展仍在繼續。這意味著需要精確的編程和測量。雖然此技術增加了存儲密度，但在考慮較低的性能、較短的使用壽命和較高的錯誤率時，它也只是一種妥協。

3D NAND閃存的主要優點是降低了每字節的成本。這是因為在芯片的同一區域可以容納更多的位。3D NAND芯片中的存儲單元比2D設備中的存儲單元更緊密，2D設備中的存儲單元分布在表面的外部。現代閃存不是在芯片表面放置一系列存儲單元，而是創建多層存儲單元，以在硅內創建完整的三維結構。這允許在同一區域中具有更大的存儲容量，同樣重要的是，與數據的連接更短，這反過來又允許更快的數據傳輸。

雖然3D NAND閃存在存儲容量和每字節成本方面可能是正確的選擇，但3D NAND閃存的有效使用在很大程度上取決于閃存控制器。控制器中需要復雜的機制來有效管理大內存容量，最大限度地減少單元編程的影響，并確保高架單元結構內的最大使用壽命和可靠性。

那么，一個好的控制器的特征是什么呢？

控制器的功能和特性范圍有許多不同之處。您基本上可以將控制器分為兩類：基于 DRAM 的控制器和無 DRAM 的控制器。

無 DRAM 控制器非常適合用于需要絕對數據可靠性的工業環境或應用（醫療技術設備或移動無線電臺）。帶有DRAM的控制器可以實現更高的性能，但是，在可靠性方面，無DRAM控制器是更好的選擇，因為它們可以保證將數據傳輸到NAND閃存上。如果突然斷電，通過基于DRAM的控制器處理的數據將在不再供電后立即丟失通過DRAM緩存的數據。此外，少一個組件也少了一個成本、考慮和潛在的并發癥。

電池隨著時間的推移而老化并失去其充電狀態;單元格的值“翻轉”，并且會發生所謂的位翻轉。控制器可以檢測這些不正確的位，并借助糾錯進行補償。但是，如果這些位錯誤累積，控制器必須采取對策。大多數閃存控制器包括刷新算法，用于檢測數據何時變舊并因此不穩定，例如，通過時間戳或記錄位錯誤統計信息。較便宜的控制器僅在讀取數據時才檢測和檢查數據，即僅在主機請求讀取時。更復雜的控制器將所有數據的驅動器掃描安排為另一個后臺維護操作。

隨著時間的推移，讀取頁面中的塊也會對相鄰頁面的物理數據質量產生負面影響。為了解決這個問題，控制器具有讀取干擾管理功能，可監控閃存中的讀取并根據需要更新周圍的數據。

自我監控、分析和報告技術 （SMART） 提供有關 NAND 閃存的運行狀況和使用壽命的信息。它允許用戶根據各種屬性監控閃存設備的壽命。例如，可以對備用塊、擦除操作、讀取總數或 ECC 錯誤總數進行計數，如果可以從閃存中檢索到相應的數據，則可以準確估計壽命。此功能是 ATA 接口的標準功能。但是，在設計用于 Hyperstone 控制器的其他要求苛刻的應用中，此功能也相應地用于其他接口，例如 USB 或 SD 和 dem。根據對特定用例的了解，基于SMART數據，設計也可以相應地進行調整。根據要求，控制器和固件可以在成本、性能或可靠性方面進行優化。

這些高端功能是否也適用于 SD 卡或 USB 驅動器？

是的，事實上，特別是對于這些產品，這些產品被設計得很便宜，有一個平行宇宙，一個由控制器，固件，制造和存儲提供商組成的生態系統，其重點是可靠性和長期可用性。

超石的新型標清控制器 S9 采用交鑰匙固件設計，可滿足最苛刻應用的需求。為了延長使用壽命和高數據完整性，該控制器包括閃存 XE? ECC 和可靠性?功能。hyMap? 閃存轉換層僅確保最小的寫入放大和最高的耐用性。結果：有效利用 NAND 閃存，將故障降至最低。功能范圍由hySMART?監控工具補充。其他安全功能，可以使用應用程序編程接口 （API） 在 S9S 版本的超石控制器中實現。

在存儲系統和控制器方面，在接口選項和質量方面都有很多選擇。為了實現一個考慮性能和可靠性以及成本和收益之間權衡的設計，需要大量的洞察力和經驗。Hyperstone不僅可以從設計和咨詢的角度提供幫助，還可以通過一系列控制器和完整的解決方案提供幫助，例如針對特殊應用進行固件定制的μSD卡。如果數據存儲對您的應用程序至關重要，或者故障會導致代價高昂的停機時間，那么仔細選擇控制器和存儲技術是關鍵。

審核編輯：郭婷