近几年,基于非易失性半导体(Nand Flash)存储技术逐步兴起,先应用于U盘,MP3,手机、数码相机等电子产品领域,Nand Flash由于其方便性,以及价格的不断下降(平均每年降50%),和容量的不断上升(平均每年翻一倍),使其在短短的几年时间内迅速发展起来。
SSD(Solid State Drive)也正是基于Nand Flash发展起来的新一代的硬盘技术,SSD内部也可以看做一个小型的存储系统,由接口单元,控制单元和存储单元(FLASH芯片)组成,即用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘。由于固态硬盘没有普通硬盘的机械部件和磁介质,因而抗震性极佳,工作温度范围宽,功耗低,无噪音,具有极高的读写带宽与IO处理能力。广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等高可靠性应用领域。
但是NAND FLASH也并非完美的存储介质,随着对大容量,高性能,低功耗,低成本的极致追求,NAND FLASH的半导体工艺制程不断推向极限,从45nm,32nm,24nm,以至1xnm(x=6-9)甚至1ynm(y=1-5)。随着制程的不断趋向极限,NAND FLASH的可靠性问题也不断显现,为充分发挥NAND FLASH半导体存储介质的性能优势,同时规避其可靠性问题,SSD控制芯片成为SSD设计的关键。
从整个SSD业界看,致力于自主研发SSD控制芯片领域主要有如下4类厂商:
一、新兴技术型厂商
这类厂商基本上都有一些半导体技术的积累,定位高端企业级市场,推出SSD的特点主要是高性能。这类厂商的代表有:Fusion, STEC, Micron等
二、Flash颗粒厂商
具备Flash颗粒的生产能力,成本控制力较强,在市场上也有一定的品牌影响力。主要定位在中高端消费类市场,这类厂商代表有:Samsung, Intel, Toshiba等
三、消费电子厂商
以台湾做内存、闪存卡的厂商为主,其特点是具备强大的生产制造能力,推出产品迅速,且有广泛的销售渠道,这类厂商主要定位在中低端消费类市场,其代表有:创见、威刚、台电等
四、传统硬盘厂商
SSD的出现让传统硬盘厂商感到了强大的威胁,传统硬盘厂商一方面加速传统机械硬盘的研究来打压其他SSD厂商,另一方面自己也开始布局SSD的研发,这类厂商代表主要有:希捷、西部数据、日立。
SSD控制芯片在国内处于起步阶段。虽然有湖南源科、忆正存储、固捷数据、朗科、爱国者等推出了SSD盘片,但是它们都使用了海外厂商的SSD控制芯片方案。
长期以来,海外厂商把持着IT领域芯片的核心专利,并对此构筑起技术壁垒,以阻碍中国公司进入这个产业。华为公司凭借多年在存储领域的技术积累,打造自主、可控的存储芯片,构建存储领域的中国芯。
发展历程
华为公司从2001年启动存储技术预研工作,并于2002年成立存储产品研发部,2004年开始硬盘技术研究,并于2005年启动SSD算法与关键技术点的预研工作。
2006年,基于PATA的SSD原型完成,2007年研发第一代基于SATA的SSD原型。
2008年,华为启动存储介质控制器战略,第一代自研SSD控制芯片,提供3G SATA接口,凭借高可靠,长寿命的特点,成功击败国外厂商,助力我国南极科考队,圆满完成南极科考任务。
2010年,华为第二代SSD控制芯片成功面世,其提供高性能的3G SAS接口,在继承高可靠的同时,凭借独特的硬件引擎,获得性能业界第一的成绩。
2012年,华为发布了第三代SSD控制芯片,可同时支持最新的6G SAS、6G SATA接口,满足2xnm制程的SLC,MLC,eMLC颗粒的企业级高可靠应用。以此实现的企业级SSD盘片,性能达到30K IOPS,功耗11.5W,能效比较同等价格的 SAS 15K盘片提升95%。
2012年Q2,华为发布基于第三代SSD控制芯片构建全固态存储系统 Dorado 5100系列,并在SPC-1测试中获得600K IOPS的骄人成绩。
技术优势
经过多年的技术积累,华为已明确在SSD控制芯片上的发展思路,即:聚集企业级存储应用,将SSD与存储系统结合,为客户提供高性能,低功耗,低成本的企业级新介质存储系统解决方案。对于SSD控制芯片技术,重点在以下技术上突破:
高性能IO处理
具备高性能的系统架构,可灵活扩展,适应多种接口应用,能够通过后端并发的方式实现和接口速率的匹配,整体达到顺序读写带宽和随机IOPS性能最优,其中决定SSD性能最重要的因素是IO调度管理算法,即通过数据在Cache内的整合、调度、重组等方式来聚合更多有效的IO,同时结合介质颗粒物理特性,最大限度的提升性能。
高可靠性与寿命
磨损均衡算法:Nand Flash对擦写次数存在限制。MLC每个存储单元的擦写次数为1万次,SLC每个存储单元的擦写次数为10万次。擦写次数的限制影响SSD的寿命。若Flash内某物理区域不停被擦写,则造成这些区域很快达到寿命极限而不能继续使用。损耗均衡技术是为了将数据的擦写平均分配至各个物理单元,达到每个单元磨损程度相同,从而延长其使用寿命。
ECC(Error Correction Coding)校验算法:Nand Flash制造工艺决定了在对其进行数据读、写及存储都可能发生随机位(bit)翻转,即产生错误数据。对此,必须在Flash芯片外部设计合适的纠错码ECC对数据进行有效的保护。