作者：Lena Harman，Hyperstone GmbH

雖然消費市場追求最新、最出色的高性能 SSD，但可靠性重于性能的工業市場仍在使用幾十年前推出的 CompactFlash 外形尺寸。但幾十年前的外形尺寸不一定必須使用過時的技術。閃存轉換層 (FTL) 和映射算法、磨損均衡和糾錯編碼 (ECC) 方面的進步已使其成為為 CompactFlash 卡設計的最新控制器，它們允許這些舊形式因素使用最新的、更具成本效益的閃存設備并提供更大的容量。

經久不衰的遺產CompactFlash 于 1994 年首次推出，經過多次迭代和改進，即使在 23 年后的今天，它仍然具有重要意義。Compact Flash 與 PCMCIA 和 IDE 接口兼容，自 1990 年代以來一直被用作將閃存集成到大容量存儲系統中的一種簡單方法。雖然今天的客戶端和企業存儲設備主要使用基于 SATA 和 PCIe 的接口，而不是 PCMCIA 和 IDE，但 CompactFlash 和 PATA 在工業市場上仍然占有重要地位。CompactFlash 還廣泛用于佳能和尼康的頂級數碼單反 (DSLR) 相機，以及網絡路由器和工業設備。

CompactFlash 經久不衰的秘訣是什么？簡而言之，CompactFlash 提供了一種易于使用、可拆卸、耐用的閃存驅動器。憑借其堅固的外殼，它比與之競爭的薄而脆弱的 SD 卡更重，但也更堅固。此外，與傳統的 2.5 英寸 PATA、SATA 或當今的 M.2 PCIe 閃存驅動器不同，CompactFlash 設計為可重復安裝和拆卸。無需任何培訓，操作員就可以關閉路由器或工業設備上的閃存驅動器以升級其固件或復制其內容。與傳統的硬盤驅動器外形不同，沒有單獨的電源線可供摸索，因為電源是通過引腳提供的。

CompactFlash 驅動器的堅固機身使其比 SD 卡格式更適合粗糙的工業應用。（來源：閃迪）

當今的 CompactFlash CompactFlash 的用途可分為傳統應用程序和現代應用程序。在遺留系統中，CompactFlash 驅動器被用作第一代閃存存儲設備或替代硬盤驅動器。這些舊系統通常不需要（也不能利用）更快的速度；他們只需要一個穩定的存儲解決方案和可靠的替代品來源。

對于這些系統，產品壽命比原始性能更重要。雖然消費產品的生命周期通常以月為單位來衡量，但工業存儲需要保持使用狀態，并且供應商可以使用數年甚至數十年。因此，對于這些系統，存儲解決方案需要長期保持一致的接口和操作特性。提供此接口的關鍵組件是 Flash 控制器，因此 Hyperstone 的 F2 Flash 控制器等設備已經生產了 15 年并且還在不斷增加，對設計師來說是最有意義的。

然而，盡管接口和操作特性需要長期一致，但 CompactFlash 驅動器不必因早期閃存設備設計的所有限制而卡在時間上。現代 CompactFlash 驅動器可以提供與當今 SATA 驅動器相媲美的性能、容量、安全性和可靠性，同時仍然提供傳統 CompactFlash 的堅固性以及易于安裝和拆卸的特性。這是可能的，因為像 Hyperstone 的 F9 系列這樣的高級 CF 控制器為設計人員提供了許多功能來幫助利用現代閃存技術。

Hyperstone F9 系列等高級 CF 控制器支持在工業應用中使用現代閃存設備。

增強的磨損均衡 這些關鍵特性之一是增強的磨損均衡。使用壽命是工業閃存驅動器的重要因素，并且由于閃存設備的寫入周期數有限，因此提高耐用性可以顯著降低維護成本并延長工業設備的使用壽命。CF 控制器用于延長使用壽命的主要機制是磨損均衡。通過分散驅動器周圍的磨損而不是重復寫入相同的位置，可以實現 SSD 的最長使用壽命。

基于頁面的映射 FTL 第二個關鍵的新特性涉及閃存轉換層 (FTL)，它將邏輯存儲（文件名）映射到物理設備位置。所有閃存存儲系統都需要將文件系統訪問映射到物理閃存訪問，但大多數可移動閃存驅動器，尤其是較舊的閃存驅動器，都以所謂的基于塊的映射方法映射數據。這種相對大粒度的映射比其他方法更容易實現，而且過去 Flash 塊的大小相對較小，因此基于塊的映射開銷是可以接受的。

然而，基于塊的映射在今天遠非理想，因為閃存設備容量急劇增加，導致更大的塊大小導致耐久性問題。雖然在細節上很復雜，但簡而言之，基于塊的映射會由于重新映射活動而導致頻繁的塊擦除，即使系統實際上只寫入了少量數據。這被稱為“高寫入放大”，結果是更大的設備磨損。

較新的 Flash 控制器技術，如Hyperstone 的hyMap，以更細粒度的級別執行數據訪問，比塊甚至頁面還小。這是一種更復雜的方法，需要閃存控制器進行更多處理，但它可以顯著延長驅動器的使用壽命。通過在這個更細粒度的級別映射（并因此操縱）數據，可以避免快速驅動器磨損并大大提高耐用性。

基于頁面的映射 FTL，以及與最新閃存技術兼容的現代 BCH 糾錯，允許在 CompactFlash 驅動器中使用更高容量和更低成本的 MLC 或 3D NAND，即使在工業應用中也是如此。反過來，這種使用更新、更高密度閃存的能力不僅提高了容量，而且還允許更高吞吐量的設備。然而，一個缺點是閃存編程時間增加了，速度變慢了，特別是對于小型數據寫入操作。但同樣，控制器和接口技術的進步以及緩沖區空間的增加已經彌補了這一不足，使工業級 CompactFlash 卡能夠達到 120-MB/s 的讀/寫速度。

無 DRAM 操作 現代 CF 控制器的另一個特性與數據緩沖有關。SSD 通常使用臨時緩沖區來存儲它們的映射數據和固件表，例如，注意閃存的哪些塊已被擦除以及擦除了多少次。大多數 SSD 會將此信息臨時存儲在 DRAM 等易失性存儲器中。然而，這會帶來很大的可靠性風險；在錯誤的時間發生電源故障可能會刪除這個重要的元數據。

因此，使用 DRAM 緩沖器的工業 SSD 需要強大的電源保護。一些 SSD 使用超級電容器作為備用電源，但這是一種昂貴的方法，并且電容器可能會隨著時間的推移而失效。更好的方法是通過將映射信息完全存儲在非易失性存儲器中來避免 DRAM 及其對備用電源的需求。通過將映射信息存儲在易失性 DRAM 之外，驅動器可以防止由于電源故障而導致嚴重的數據丟失。結合基于事務的日志，驅動器可以確保數據始終成功寫入閃存并保持映射表的一致性。

除了失敗的風險和降低的穩健性之外，使用 DRAM 還帶來了重大的采購風險。DRAM 歷來遭受的快速產品生命周期和不穩定的供應也可能導致 SSD 更快過時和更高的價格波動。

健康監測 現代 CF 卡還允許使用自我監測、分析和記錄技術 (SMART) 對閃存驅動器進行健康監測。支持 SMART 的操作系統可以檢查備用塊計數、塊擦除計數、寫入的邏輯塊地址 (LBA) 總數以及其他重要的驅動器健康信息。這使用戶可以在使用驅動器時監控其使用壽命，并在其使用壽命結束前進行更換。

工業耐用性雖然消費者和企業應用程序轉向其他形式因素，但 CompactFlash 仍然存在于許多傳統和現代工業應用程序中。從電信塔到網絡路由器再到工業設備，CompactFlash 堅固且易于安裝的特性使其經久不衰。今天，CompactFlash 驅動器可以滿足傳統要求，同時利用最先進的技術。最新的 CompactFlash 控制器能夠創建具有比以往更好的性能和可靠性特性的快速、大容量驅動器。有時老狗可以學習新技巧。

Lena Harman 在 Hyperstone 負責數字營銷、在線戰略和在線平臺優化。她擁有悉尼科技大學的傳播學和國際研究雙學位。

審核編輯 黃昊宇