เมื่อวิศวกรประเมินตัวเลือกหน่วยความจำสำหรับระบบฝังตัว NAND flash มักปรากฏขึ้นเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีการพูดคุยกันมากที่สุด คำถามหลักคือ NAND flash สามารถรองรับความต้องการในการจัดเก็บข้อมูลความเร็วสูงในสภาพแวดล้อมแบบฝังตัวได้จริงหรือไม่ หรือลักษณะเฉพาะของมันกลับสร้างข้อแลกเปลี่ยนที่ยอมรับไม่ได้ คำตอบโดยย่อคือ ใช่ — NAND flash เหมาะสมสำหรับการจัดเก็บข้อมูลฝังตัวความเร็วสูง — แต่ก็ต่อเมื่อมีสถาปัตยกรรมที่เหมาะสม ตรรกะของคอนโทรลเลอร์ที่เหมาะสม และการกำหนดค่าอินเทอร์เฟซที่เหมาะสมเท่านั้น การเข้าใจพฤติกรรมของ NAND flash ภายใต้สภาวะการใช้งานจริงจึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งก่อนตัดสินใจเลือกใช้ในงานออกแบบ
ระบบฝังตัวครอบคลุมการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ตัวควบคุมอุตสาหกรรมและหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์ (ECUs) ไปจนถึงอุปกรณ์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่งสำหรับผู้บริโภค (IoT) และเครื่องมือวัดทางการแพทย์ แต่ละการใช้งานจะกำหนดข้อกำหนดที่แตกต่างกันต่อหน่วยความจำ NAND Flash ด้านอัตราการอ่านและเขียน ความทนทาน (Endurance) ความสามารถในการเก็บรักษาข้อมูล (Retention) และความน่าเชื่อถือ องค์ประกอบ NAND Flash ที่เลือกอย่างเหมาะสมสามารถรองรับภาระงานข้อมูลที่หนักหนาได้ แต่หากเลือกไม่ดีหรือออกแบบอินเทอร์เฟซไม่เหมาะสม จะทำให้จุดอ่อนโดยธรรมชาติของเทคโนโลยี NAND Flash ปรากฏชัดเจน บทความนี้พิจารณาความเหมาะสมของ NAND Flash สำหรับการจัดเก็บข้อมูลความเร็วสูง โดยวิเคราะห์ศักยภาพหลัก ข้อจำกัดเชิงปฏิบัติ และเงื่อนไขการออกแบบที่ช่วยให้ NAND Flash ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ
ลักษณะสำคัญด้านประสิทธิภาพของ NAND Flash
ความสามารถด้านความเร็วในการอ่านและเขียน
โดยพื้นฐานแล้ว หน่วยความจำ NAND Flash สามารถให้ความเร็วในการอ่านที่แข่งขันได้ ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานแบบฝังตัว (embedded applications) ที่ต้องการความเร็วสูงหลายประเภท ปัจจุบัน อุปกรณ์ NAND Flash รุ่นใหม่สามารถให้ประสิทธิภาพการอ่านแบบลำดับ (sequential read throughput) สูงกว่าหลายร้อยเมกะไบต์ต่อวินาที เมื่อเชื่อมต่อกับอินเทอร์เฟซโฮสต์ที่เหมาะสม เช่น SPI, QSPI หรือสถาปัตยกรรมบัสแบบขนาน (parallel bus architectures) วงจรการอ่านของ NAND Flash โดยทั่วไปจะเร็วกว่าวงจรการเขียน ซึ่งหมายความว่า ระบบที่มีภาระงานเน้นการอ่านเป็นหลักจะได้รับประโยชน์โดยตรงจากประสิทธิภาพดิบ (raw performance) ของ NAND Flash มากที่สุด สำหรับภาระงานแบบผสมผสานระหว่างการอ่านและการเขียน NAND Flash ยังคงให้ประสิทธิภาพที่เพียงพอ ตราบใดที่มี Flash Translation Layer (FTL) ที่มีประสิทธิภาพคอยจัดการการดำเนินการระดับบล็อกที่อยู่เบื้องล่าง
การเขียนข้อมูลลงใน NAND Flash มีลักษณะไม่สมมาตรโดยธรรมชาติ กระบวนการเขียนข้อมูลลงใน NAND Flash ต้องดำเนินการที่ระดับหน้า (page level) ขณะที่กระบวนการลบข้อมูลจะทำงานที่ระดับบล็อก (block level) ซึ่งหมายความว่า การเขียนข้อมูลใหม่ลงใน NAND Flash จำเป็นต้องลบบล็อกทั้งหมดก่อนจึงจะสามารถเขียนโปรแกรมหน้าแต่ละหน้าใหม่ได้ ซึ่งอาจก่อให้เกิดความล่าช้าหากไม่มีการจัดการอย่างรอบคอบ ระบบฝังตัว (Embedded systems) ที่พึ่งพา NAND Flash สำหรับการเขียนข้อมูลด้วยความเร็วสูง จำเป็นต้องใช้กลยุทธ์การจัดเก็บข้อมูลชั่วคราว (buffering strategies) และอัลกอริทึมการกระจายการสึกหรอ (wear-leveling algorithms) เพื่อซ่อนความล่าช้าเชิงโครงสร้างนี้ และรักษาอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่สม่ำเสมอจากอุปกรณ์ NAND Flash
ตัวเลือกอินเทอร์เฟซที่ปลดล็อกความเร็วของ NAND Flash
อินเทอร์เฟซที่เชื่อมต่อโปรเซสเซอร์โฮสต์เข้ากับหน่วยความจำ NAND Flash โดยตรง จะควบคุมโดยตรงว่าจะสามารถใช้ศักยภาพด้านความเร็วของหน่วยความจำ NAND Flash ได้มากน้อยเพียงใด การกำหนดค่า Serial Peripheral Interface (SPI) ช่วยให้หน่วยความจำ NAND Flash สามารถทำงานได้ด้วยจำนวนขา (pin count) ที่ต่ำลง แต่ยังคงรักษาอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่น่าพอใจไว้ได้ การกำหนดค่า Quad-SPI สำหรับหน่วยความจำ NAND Flash เพิ่มแบนด์วิดท์ของข้อมูลเป็นหลายเท่าโดยใช้สายข้อมูลพร้อมกัน 4 เส้น ทำให้หน่วยความจำ NAND Flash แบบ Quad-SPI เป็นทางเลือกที่นิยมในงานออกแบบระบบฝังตัว (embedded designs) ที่ต้องคำนึงถึงต้นทุนอย่างมาก แต่ยังต้องการอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่มีความหมาย สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ หน่วยความจำ NAND Flash แบบขนาน (parallel NAND Flash) ที่เชื่อมต่อผ่านบัสหน่วยความจำเฉพาะ (dedicated memory bus) จะให้ค่าความล่าช้า (latency) ต่ำที่สุดและแบนด์วิดท์คงที่สูงสุดที่มีอยู่ในสถาปัตยกรรม NAND Flash ทั้งหมด
เงื่อนไขที่หน่วยความจำ NAND Flash ให้ประสิทธิภาพดีที่สุด
การจัดเก็บเฟิร์มแวร์และการประมวลผลโค้ด
หนึ่งในกรณีการใช้งานที่แข็งแกร่งที่สุดของ NAND Flash ในระบบฝังตัวคือการจัดเก็บภาพเฟิร์มแวร์และโค้ดที่สามารถรันได้โดยตรง เมื่อรวม NAND Flash เข้ากับความสามารถในการรันโค้ดโดยตรงจากหน่วยความจำ (Execute-in-Place) หรือบัฟเฟอร์ RAM สำรอง โปรเซสเซอร์จะสามารถดึงคำสั่งมาใช้งานได้อย่างรวดเร็วจาก NAND Flash โดยไม่มีปัญหาคอขวดที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ แพลตฟอร์มระบบฝังตัวเชิงอุตสาหกรรมมักพึ่งพา NAND Flash ในการเก็บระบบปฏิบัติการ โปรแกรมโหลดระบบเริ่มต้น (Boot Loader) และไฟล์ไบนารีของแอปพลิเคชัน เนื่องจาก NAND Flash ให้สมดุลที่เหมาะสมระหว่างความหนาแน่นของพื้นที่จัดเก็บ การใช้พลังงาน และความเร็วในการเข้าถึง ซึ่งเหมาะกับภาระงานที่เน้นการอ่านเป็นหลักเหล่านี้
สำหรับการใช้งานด้านการบันทึกข้อมูล (data logging) หน่วยความจำ NAND Flash แสดงประสิทธิภาพสูงมากเมื่อการเขียนข้อมูลเป็นแบบลำดับ (sequential) และตัวควบคุมการบันทึก (logging controller) จัดการขอบเขตของบล็อกอย่างชาญฉลาด รูปแบบการเขียนแบบลำดับสอดคล้องกับโมเดลการเขียนหน้า (page-program model) ของ NAND Flash อย่างเป็นธรรมชาติ ทำให้อุปกรณ์ NAND Flash สามารถรักษาอัตราการเขียนข้อมูลสูงได้โดยไม่ต้องทำการลบและเขียนใหม่ซ้ำๆ ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงจากการแยกส่วน (fragmentation) ตัวอย่างการใช้งานจริง ได้แก่ เครื่องบันทึกข้อมูลแบบกล่องดำสำหรับยานยนต์ (automotive black-box recorders) และเครื่องบันทึกเหตุการณ์ในภาคอุตสาหกรรม (industrial event loggers) ซึ่ง NAND Flash สามารถจัดการกับการเขียนข้อมูลแบบลำดับความเร็วสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ตลอดช่วงเวลาการใช้งานที่ยาวนาน
ความทนทานและการเก็บรักษาข้อมูลสอดคล้องกับความต้องการของแอปพลิเคชัน
ความเหมาะสมของหน่วยความจำ NAND Flash สำหรับแอปพลิเคชันแบบฝังตัวที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับการจับคู่อัตราความทนทาน (endurance rating) ของ NAND Flash กับปริมาณรอบการเขียนข้อมูลจริงที่ระบบต้องการด้วย SLC NAND Flash ซึ่งเก็บข้อมูลเพียง 1 บิตต่อเซลล์ ให้ความทนทานสูงสุดและมีความเร็วในการเขียน (program speed) สูงสุดเมื่อเทียบกับชนิดอื่นๆ ของ NAND Flash ขณะที่ MLC และ TLC NAND Flash ยอมลดความทนทานและประสิทธิภาพความเร็วเชิงดิบลงเล็กน้อย เพื่อแลกกับความหนาแน่นของพื้นที่จัดเก็บข้อมูลที่สูงขึ้นต่อไดร์ (per die) จึงเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่มีจำนวนรอบการเขียนข้อมูลในระดับปานกลาง และต้นทุนต่อจิกะไบต์มีความสำคัญ การเลือกชนิดของ NAND Flash ที่ถูกต้องไม่ใช่เรื่องที่สามารถละเลยได้ — แต่เป็นการตัดสินใจเชิงการออกแบบขั้นพื้นฐานที่จะกำหนดว่า NAND Flash จะสามารถรองรับอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่ต้องการได้อย่างต่อเนื่องตลอดอายุการใช้งานที่ออกแบบไว้ของผลิตภัณฑ์หรือไม่
ข้อจำกัดเชิงปฏิบัติของ NAND Flash ในการออกแบบที่ทำงานด้วยความเร็วสูง
ECC และภาระงานของคอนโทรลเลอร์
หน่วยความจำ NAND Flash ไม่ได้มีความถูกต้องสมบูรณ์โดยธรรมชาติ เมื่อเซลล์หน่วยความจำ NAND Flash แก่ลงจากการเขียน (program) และลบ (erase) ซ้ำๆ อัตราความผิดพลาดของบิตจะเพิ่มขึ้น หน่วยความจำ NAND Flash แบบความหนาแน่นสูงมีแนวโน้มเกิดความผิดพลาดของบิตมากกว่า NAND Flash แบบ SLC จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องยนต์รหัสแก้ไขข้อผิดพลาด (ECC) ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของข้อมูล ภาระการประมวลผลจากกระบวนการ ECC อาจก่อให้เกิดความล่าช้า (latency) ในเส้นทางการรับส่งข้อมูล ซึ่งผู้ออกแบบระบบฝังตัวจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเมื่อกำหนดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของหน่วยความจำ NAND Flash ตัวควบคุมหน่วยความจำ NAND Flash ที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสม พร้อมฟังก์ชัน ECC ที่เร่งด้วยฮาร์ดแวร์ จะช่วยลดภาระดังกล่าวให้น้อยที่สุด และรักษาอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่แท้จริงของ NAND Flash ให้ใกล้เคียงกับค่าที่ระบุไว้ในข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์
ข้อพิจารณาด้านพลังงานและอุณหภูมิ
ประสิทธิภาพของหน่วยความจำ NAND Flash มีความไวต่อความมั่นคงของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายและอุณหภูมิในการทำงาน ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าระหว่างการเขียนหรือลบข้อมูลในหน่วยความจำ NAND Flash อาจทำให้ข้อมูลเสียหาย ดังนั้นการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่มีความแข็งแกร่งจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ของ NAND Flash ในระบบฝังตัวระดับอุตสาหกรรมและยานยนต์ซึ่งมีช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง ผู้ออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าองค์ประกอบ NAND Flash ที่เลือกใช้นั้นมีการระบุคุณสมบัติให้รองรับช่วงอุณหภูมิในการทำงานทั้งหมด ชิ้นส่วน NAND Flash ระดับอุตสาหกรรมจะระบุคุณสมบัติสำหรับช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น และผลิตด้วยการควบคุมกระบวนการที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยรักษาความน่าเชื่อถือของ NAND Flash ภายใต้สภาวะที่รุนแรง
ตัวอย่างองค์ประกอบที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางตัวหนึ่งในกลุ่มนี้คือ nAND Flash หน่วยความจำแฟลชแบบอนุกรมที่เข้ากันได้ ซึ่งมีจำหน่ายในบรรจุภัณฑ์ SOP8 ซึ่งให้โซลูชันที่กะทัดรัดและแข็งแรงสำหรับการออกแบบระบบฝังตัวที่ต้องการการจัดเก็บข้อมูลที่เชื่อถือได้และรวดเร็วภายในข้อจำกัดของพื้นที่บนแผงวงจรที่คับแคบ เมื่อจัดหาส่วนประกอบ NAND Flash การตรวจสอบความแท้จริงของห่วงโซ่อุปทานและการรับรองส่วนประกอบยังมีความสำคัญเท่าเทียมกันในการบรรลุประสิทธิภาพของระบบอย่างสม่ำเสมอ
คำถามที่พบบ่อย
NAND Flash สามารถรองรับการเขียนข้อมูลแบบเรียลไทม์ในระบบฝังตัวได้หรือไม่
ใช่ NAND Flash สามารถรองรับการเขียนข้อมูลแบบเรียลไทม์ได้ เมื่อระบบฝังตัวใช้ Flash Translation Layer หรือตัวควบคุมฮาร์ดแวร์ที่จัดการการเขียนข้อมูลลงในเพจ (page programming) และการล้างบล็อก (block erasing) แบบอะซิงโครนัส กลยุทธ์การจัดเก็บข้อมูลไว้ชั่วคราว (buffering strategies) ช่วยให้แอปพลิเคชันสามารถเขียนข้อมูลได้ด้วยความเร็วสูง ในขณะที่อุปกรณ์ NAND Flash จัดการการทำงานภายในแบบพร้อมกันเบื้องหลัง ทำให้แยกความหน่วงเวลา (latency) ของ NAND Flash ออกจากเส้นทางข้อมูลแบบเรียลไทม์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ความแตกต่างระหว่าง SLC กับ MLC NAND Flash สำหรับการใช้งานในระบบฝังตัวคืออะไร
SLC NAND Flash เก็บข้อมูลหนึ่งบิตต่อเซลล์ ทำให้มีความเร็วในการเขียนสูงกว่า มีความทนทานมากกว่า และรักษาข้อมูลได้ดีกว่า MLC NAND Flash ซึ่งเก็บข้อมูลสองบิตต่อเซลล์ สำหรับแอปพลิเคชันแบบฝังตัวที่ต้องการความเร็วในการเขียนสูงและอายุการใช้งานยาวนาน SLC NAND Flash จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะที่สุด ส่วน MLC NAND Flash เหมาะสมกว่าสำหรับแอปพลิเคชันที่ให้ความสำคัญกับความหนาแน่นของพื้นที่จัดเก็บมากกว่าประสิทธิภาพในการเขียนสูงสุดและความทนทาน
การเลือกอินเทอร์เฟซมีผลต่อประสิทธิภาพของ NAND Flash อย่างไรในงานออกแบบแบบฝังตัว?
อินเทอร์เฟซโฮสต์กำหนดความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างโปรเซสเซอร์กับหน่วยความจำ NAND Flash โครงสร้างของ NAND Flash แบบ Quad-SPI มีความสามารถในการรับส่งข้อมูลได้สูงกว่าการเชื่อมต่อ NAND Flash แบบ SPI แบบบิตเดี่ยวมาตรฐานถึงสี่เท่า ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการอ่านและการเขียนแบบลำดับ (sequential write) อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่อินเทอร์เฟซ NAND Flash แบบขนานให้แบนด์วิดท์สูงยิ่งกว่านั้น แต่ต้องใช้จำนวนเส้นสัญญาณมากขึ้นและต้องออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างรอบคอบ การเลือกอินเทอร์เฟซที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานแต่ละประเภทจะทำให้มั่นใจได้ว่าองค์ประกอบ NAND Flash จะทำงานที่ความเร็วใกล้เคียงหรือเท่ากับความเร็วสูงสุดที่ระบุไว้
EN
