Kui insenerid hindavad sisemoodulite jaoks mälusid, siis tuleb NAND-flash alati üheks kõige rohkem arutletavaks valikuteks. Peamine küsimus on, kas NAND-flash suudab tegelikult rahuldada kõrgkiiruslikke andmesalvestusnõudeid sisemoodulites või kas selle omadused teevad ebakohaseid kompromisse. Lühike vastus on jah – NAND-flash sobib kõrgkiiruslikuks sisemooduliteks mõeldud salvestamiseks – kuid ainult siis, kui on kasutusel õige arhitektuur, juhtimisloogika ja liidese seadistus. Enne disaini lõplikku valikut on oluline mõista, kuidas NAND-flash käitub reaalsetes töötingimustes.
Täiskasutussüsteemid hõlmavad laia ulatuses rakendusi, alates tööstuslikkudest juhtimissüsteemidest ja autotööstuses kasutatavatest elektroonilistest juhtseadmetest (ECU) kuni tarbijatele mõeldud IoT-seadmeteni ja meditsiiniliste mõõteriistadeeni. Iga rakendus seab erinevaid nõudeid NAND-flash-mälule lugemis- ja kirjutamiskiiruse, vastupidavuse, andmete säilitamise aegu ja usaldusväärsuse osas. Hästi valitud NAND-flash-komponent suudab toime tulla väga intensiivsete andmetöötluskoormustega, kuid vale komponendi valik või ebapiisav liidese disain avaldab NAND-flash-tehnoloogia omane nõrgad kohad. Selles artiklis analüüsitakse NAND-flash-i sobivust kõrgkiiruselise andmehoiustamise jaoks, vaadeldes selle põhitegevusi, praktilisi piiranguid ning disainitingimusi, mis võimaldavad NAND-flash-il parimat jõudlust saavutada.
NAND-flash-i põhiline jõudlusomadused
Lugemis- ja kirjutamiskiiruse võimalused
Nand-flash tehnoloogia põhikomponendina saavutab see konkurentsivõimelised lugemiskiirused, mis muudavad selle elujõuliseks paljude kiirete kaasatud rakenduste jaoks. Kaasaegsed nand-flash-seadmed võivad järjestikuse lugemise läbilaskevõimega ületada mitmeid sadu megabaiti sekundis, kui need on ühendatud sobiva host-liidese (nt SPI, QSPI või paralleelsete andmesidearhitektuuridega). Nand-flash-i lugemistsükkel on tavaliselt kiirem kui kirjutamistsükkel, mistõttu kasutavad süsteemid, mille puhul domineerib lugemine, kõige otsesemalt nand-flash-i algset jõudlust. Segatud lugemis- ja kirjutamiskoormaga töökorral annab nand-flash ikka rahuldavaid tulemusi, kui kompetentne flash-tõlgenduskiht haldab alusele asuvaid plokikäsitlusi.
Kirjutamisjõudlus NAND-flashis on olemuslikult assümeetriline. NAND-flashi kirjutamistegevus toimub lehekülje tasandil, samas kui kustutamistegevused toimuvad ploki tasandil. See tähendab, et uue andmete kirjutamiseks NAND-flashisse tuleb enne eraldi lehekülgede ümberprogrammeerimist kustutada terve plokk, mis teeb latentsuse ilmselgeks, kui seda ei haldada ettevaatlikult. Süsteemid, mis sõltuvad NAND-flashist kõrgkiirusliku kirjutamise jaoks, peavad rakendama puhverstrateegiaid ja kulutusvõrdlust algoritme, et varjata seda struktuurset viivitust ja tagada järkjärgne läbilaskevõime NAND-flash-seadmes.
Liidestevõimalused, mis avavad NAND-flashi kiiruse
Liides, mis ühendab hostprotsessori otse NAND-flashiga, määrab otseselt, kui palju NAND-flash-seadme potentsiaalset kiirust saavutatakse. Serial Peripheral Interface (SPI) konfiguratsioonid võimaldavad NAND-flashi töötada väiksema pinude arvuga, samas kui siiski saavutatakse rahuldavad andmeülekannekiirused. Quad-SPI NAND-flashi konfiguratsioonid suurendavad andmesagedust, kasutades samaaegselt nelja andmejuhet, mistõttu on quad-SPI NAND-flash eelistatud valik kulutundlikes süsteemides, kus on siiski vaja olulist läbilaskevõimet. Rakendustele, mis nõuavad kõrgeimat võimalikku jõudlust, pakub paralleelne NAND-flash, mis on ühendatud eraldatud mälubussiga, kõige väiksema viivituse ja kõige kõrgema pideva andmesageduse, mida NAND-flashi arhitektuurid pakkuda saavad.
Olud, milles NAND-flash toimib parima tulemusega
Tarkvarakoodi salvestamine ja täitmine
Üks tugevaimaid NAND-flash-mälu kasutusvaldkondi süsteemides on tarkvaraliste piltide ja täidetavate koodide salvestamine. Kui NAND-flash-mälu ühendatakse kohe-koheselt-täitmise (execute-in-place) võimekusega või varjupuhvriga (shadow RAM), saab protsessor kiiresti käsklusi NAND-flash-mälust hankida ilma, et kitsaskohad mõjutaksid reaalajas tööd. Tööstuslikud süsteemid kasutavad sageli NAND-flash-mälus operatsioonisüsteemi, alglaaduri ja rakenduste binaarfaile, sest NAND-flash-mälu pakub neile suhteliselt lugemisintensiivsetele töökoormustele soodsat tasakaalu salvestusmahus, energiatarbimises ja juurdepääsu kiiruses.
Andmete logimise rakendustes osutub NAND-flash väga tõhusaks, kui kirjutamised toimuvad järjestikuliselt ja logimiskontroller haldab plokkide piire nutikalt. Järjestikused kirjutusmustrid sobivad loomulikult ära NAND-flash'i lehekülje-programmeerimismudeliga, mis võimaldab NAND-flash-seadmel säilitada kõrged kirjutuskiirused ilma pidevate kustutamise ja uuesti kirjutamisega, mis mõjutaks negatiivselt toimivust. Praktilised näited on autotööstuse mustad kastid ja tööstuslikud sündmuste logijad, kus NAND-flash suudab efektiivselt ja usaldusväärselt töödelda kõrgkiirusega järjestikuid kirjutusi pikema aegaja jooksul.
Säilivus ja andmete säilitus vastavuses rakenduse nõuetega
NAND-flash-mälu sobivus antud süsteemisüsteemi jaoks sõltub ka sellest, kas NAND-flash-i vastupidavus on kooskõlas süsteemi tegelike kirjutustsüklite nõuetega. SLC NAND-flash, mis salvestab ühe bitti rakusse, pakub kõrgeimat vastupidavust ja kiireimaid programmeerimiskiirusi kõigi NAND-flash-i variatsioonide hulgas. MLC ja TLC NAND-flash vahetavad osa vastupidavusest ja toor-kiirusest suurema salvestusmahuga täpselt sama pinnasuurusega, mistõttu on nad sobivad rakendustes, kus kirjutustsüklid on mõõdukad ja oluline on hind gigabaiti kohta. Õige NAND-flash-i variandi valik pole valikuvõimalus — see on põhimõtteline projekteerimisotsus, mis määrab, kas NAND-flash suudab tagada nõutava andmete läbilaske kiiruse kogu toote ettenähtud eluea jooksul.
NAND-flash-i praktilised piirangud kõrgkiiruslikus disainis
ECC ja kontrolleri koormus
NAND-flash ei ole algselt veata. Kui NAND-flashirakud vananevad programmeerimis- ja kustutusstsüklite tõttu, suureneb bitivigade esinemissagedus. Kõrgtihedusega NAND-flashi variandid on bitivigadele tundlikumad kui SLC NAND-flash, mistõttu on andmete terviklikkuse säilitamiseks vajalikud tugevamad vigade paranduskoodi (ECC) töötlusmootorid. ECC-töötlemise arvutuslik koormus võib põhjustada viivitust andmete teel, millest peavad arvestama ka süsteemide disainerid, kui nad määravad NAND-flashi toorandmete nõuded. Õigesti disainitud NAND-flashi juhtseade, millel on riistvaras kiirendatud ECC, vähendab seda koormust miinimumini ja hoiab efektiivse NAND-flashi läbilaskevõime lähedaselt seadme deklareeritud tehniliste andmetega.
Võimsus ja temperatuur
NAND-flashi jõudlus on tundlik toitepinge stabiilsuse ja töötemperatuuri suhtes. Pingekõikumised NAND-flashi kirjutamise või kustutamise ajal võivad põhjustada andmete moonutumist, mistõttu on usaldusväärse NAND-flashi töö tagamiseks vajalik kindel toiteplokk. Tööstus- ja autotööstuses kasutatavates süsteemides, kus temperatuurivahemik on lai, peavad disainerid veenduma, et valitud NAND-flashi komponent on sertifitseeritud kogu töötemperatuuri vahemiku jaoks. Tööstusastmega NAND-flashi komponendid on määratletud laiendatud temperatuurivahemike jaoks ning neid toodetakse täpsemate protsessikontrollidega, mis aitab säilitada NAND-flashi usaldusväärsust keerulistes tingimustes.
Üks selle valdkonna hästi tunnustatud komponentide näiteid on nAND-flash ühilduv jadapõhine flahsimälu, mis on saadaval SOP8-korpuses ja pakub kompaktset ning tugevat lahendust süsteemidesse, kus on vaja usaldusväärset ja kiiret andmehoiut piiratud plaadi ruumis. Kui ostetakse NAND-flašikomponente, on süsteemi jõudluse pidevuse tagamiseks sama oluline kontrollida tarneketi autentsust ja komponentide sertifitseerimist.
KKK
Kas NAND-flaši abil saab süsteemides tegutseda reaalajas andmete kirjutamisega?
Jah, NAND-flaši abil saab reaalajas andmete kirjutamist toetada siis, kui süsteem kasutab flaši tõlgenduskihti või riistvarakontrollerit, mis haldab lehekülgede programmeerimist ja plokkide kustutamist asünkroonselt. Puhverstrateegiad võimaldavad rakendusel kirjutada kõrgel kiirusel, samal ajal kui NAND-flašiseade teeb taustas sisemisi operatsioone, eraldades efektiivselt NAND-flaši viivituse reaalajas andmete teelt.
Mis on SLC- ja MLC-NAND-flaši erinevus süsteemide kasutamisel?
SLC NAND-flash salvestab ühe biti rakus, pakkudes kiiremaid kirjutuskiirusi, kõrgemat vastupidavust ja paremat andmete säilitamist võrreldes MLC NAND-flashiga, mis salvestab ühte rakku kaks bitti. Sisemoodulitele mõeldud rakendustes, kus on vajalikud kiired kirjutused ja pikk kasutusiga, on SLC NAND-flash eelistatud valik. MLC NAND-flash sobib paremini rakendustesse, kus prioriteediks on salvestusmahukus, mitte maksimaalne kirjutusjõudlus ja vastupidavus.
Kuidas mõjutab liidese valik NAND-flash-i jõudlust sisemoodulite disainis?
Hosti liides määrab, kui kiiresti andmeid edastatakse protsessori ja NAND-flashi vahel. Neljapinnaline SPI NAND-flashi konfiguratsioon pakub neljakordset andmelaiust standardse ühebitilise SPI NAND-flashi ühenduse suhtes, mis parandab oluliselt lugemis- ja järjestikku kirjutamise läbilaskevõimet. Rööpne NAND-flashi liides pakub veelgi suuremat läbilaskevõimet, kuid nõuab rohkem signaallinju ja täpselt läbi mõeldud PCB paigutust. Õige liidese valik rakenduse jaoks tagab, et NAND-flashi komponent töötab oma deklareeritud kiirusega või sellele lähedaselt.
EN
