Накопитель Kingston eMMC на фоне черного корпуса системы.

Оценка, проверка и отслеживание жизненного цикла eMMC

янв 2023
Блог Главная
Процессы, обрабатываемые шиной NAND

Флэш-память NAND — это не просто носитель для чтения и записи данных. Для надежного использования следует реализовать несколько алгоритмов: управление блоками NAND, очистка памяти от ненужных данных, контроль ошибок и выравнивание износа. Современная флэш-память NAND управляется с помощью алгоритмов на устройстве хранения, не реализованных в процессоре хост-системы. Это выгодно пользователям, поскольку делает управление NAND менее сложным для хост-системы и упрощает поддержку продукта и поддержание его работоспособности.

Операции записи хост-системы во флэш-память NAND в определенной степени неэффективны, что может привести к более раннему отказу носителя. Наименьшая организационная единица NAND — это страница, которую можно прочитать и запрограммировать, но нельзя стереть. Единственная организационная единица, которую можно стереть, — это блок, состоящий из множества страниц. Следовательно, страницы не могут быть перезаписаны до тех пор, пока блок не будет стерт. Со временем блоки, по мере достижения предела их ресурса, могут выходить из строя. Также могут возникать дефекты, приводящие к преждевременным отказам.

Количество циклов программирования-стирания флэш-памяти NAND ограничено. Достижение этого предела означает, что устройство находится в состоянии окончания срока службы (EoL), то есть более не является надежным. Рабочий ресурс зависит от конфигурации ячеек NAND.

Конфигурация с одноуровневыми ячейками: имеет самый высокий рабочий ресурс и наибольший допустимый предел ошибки.

eMMC LBA 512B Sector Address

 NAND Page & Block Address
0:31 Blk10, Pg101
32:63 Blk10, Pg102
64:95 Blk10, Pg103
96:127 Blk10, Pg104
128:159 Blk15, Pg57
160:191 Blk8, Pg129
192:223 Blk10, Pg107
224:255 Blk22, Pg88

eMMC читает и записывает данные в блоки секторов по 512 байт, которые являются логическими, а не физическими. Адреса секторов называются адресами логических блоков (LBA). Когда данные изменяются, стирание всего блока NAND нецелесообразно, поскольку приводит к неэффективному износу не изменившихся страниц. Схема сопоставления LBA-PBA (адрес физического блока) позволяет сократить запись для балансировки износа блока. Это называется выравниванием износа. С помощью таблицы преобразования адреса LBA сопоставляются адресам PBA. Этот процесс уравновешивает износ блоков и повышает скорость записи.

Процесс отображения адресов выполняется следующим образом.

  • Сектора eMMC имеют размер 512 байт, а страницы NAND — 16 Кб. Таблица сопоставления группирует 32 последовательных адреса секторов в единицу размером со страницу.
  • Если сектор в группе страниц изменяется, контроллер считывает всю группу секторов для этой страницы, обновляет все измененные сектора, а затем программирует новые данные на новую страницу.
  • После программирования обновленной страницы таблица обновляется: в предыдущую запись вносится адрес блока и страницы обновленной страницы NAND.
  • Даже если был изменен всего лишь один сектор, флэш-память NAND должна запрограммировать всю страницу. Эта неэффективность называется увеличением объема записи. Отношение количества операций записи во флэш-память NAND к количеству операций записи на уровне устройства eMMC представляет собой WAF (коэффициент увеличения объема записи).

Небольшие, случайные, не соответствующие страницам операции перезаписи обычно являются самым большим источником увеличения объема записи. Чтобы свести к минимуму WAF, записи должны быть выровнены по границе страницы в единицах, кратных размеру страницы. Этот оптимальный размер единицы записи указывается в поле Optimal Write Size (Оптимальный размер записи) расширенного регистра управления микросхемой (CSD).

Формула для определения общего количества записанных байтов (TBW) проста:

(емкость устройства * коэффициент срока службы) / WAF = TBW

Часто WAF находится в диапазоне от 4 до 8, но это зависит от режима записи хост-системы. Например, последовательные операции записи большого объема снижают значение WAF, а произвольной записи небольших блоков данных соответствует более высокое значение WAF. Такое поведение часто может вести к преждевременному выходу устройств хранения из строя.

Например, для eMMC 4 ГБ с коэффициентом срока службы 3000 и WAF 8 получим:

(4 ГБ * 3000) / 8 = 1,5 ТБ

Суммарное число записываемых байтов устройства eMMC составляет 1,5 ТБ. Таким образом, мы можем записать 1,5 ТБ данных в течение его жизненного цикла, прежде чем оно достигнет состояния окончания срока службы.

Чтобы оценить свои требования к TBW, оцените ежедневное использование рассматриваемого устройства. Например, для рабочей нагрузки с ежедневным объемом записи 500 МБ (и предполагаемым 5-летним жизненным циклом) потребуется устройство, которое может достигать TBW более 915 ГБ:

0,5 ГБ * 365 = ~183 ГБ в год, или 915 ГБ за 5 лет

TBW можно использовать для определения максимально допустимого WAF для устройства, поскольку TBW = (DC * EF) / WAF. Если срок службы вашего устройства не может достичь целевого TBW для предполагаемого использования, вы можете попытаться увеличить его. Например, можно перевести его в режим с псевдоодноуровневыми ячейками. Это позволит увеличить срок службы в десять раз за счет перевода устройства из режима TLC или MLC в режим «один бит на ячейку». Однако это существенно сокращает емкость: на 50% для устройства MLC с двумя битами на ячейку и более чем на 66% для устройства TLC с тремя битами на ячейку. Если это решение вас не устраивает, можно выбрать для той же рабочей нагрузки устройство большей емкости. Устройство с вдвое большей емкостью будет иметь и вдвое больший TBW.

Алгоритмы Kingston для eMMC обеспечивают низкий коэффициент увеличения объема записи. Мы предлагаем несколько конфигураций, чтобы сбалансировать производительность, срок службы и надежность. Возраст устройства можно отслеживать с помощью инструментов оценки срока службы JEDEC, хранящихся в реестре EXT_CSD. Это общая функция для всех устройств eMMC. Срок службы указывается с шагом 10 % в зависимости от рабочего ресурса устройства. Один инструмент сообщает о возрасте блоков флэш-памяти NAND в конфигурации TLC или MLC, а другой — о возрасте блоков в конфигурации с псевдо-одноуровневыми ячейками. У устройств Kingston eMMC также есть команды поставщика, возвращающие средний возраст блоков устройства. Они более точны, чем инструменты JEDEC, но для их использования требуется определенное программное обеспечение (небольшой объем разработки). Кроме того, вы можете отправить свое старое устройство в Kingston для более комплексного анализа.

#KingstonIsWithYou

promo embedded

Спросите специалиста

Планирование правильного решения требует понимания требований вашего проекта и системных требований. Позвольте специалистам Kingston помочь вам.

Спросите специалиста

Связанные видеоролики

Проектирование встраиваемых продуктов для долговечности 51:35

Проектирование встраиваемых продуктов для долговечности

Долговечность продукта является ключевой проблемой для многих встраиваемых приложений, срок службы которых обычно составляет 7-10 лет. Учитывая быстрые темпы развития и изменения технологий, долгосрочная поддержка встраиваемых продуктов может быть сложной задачей.

Оценка, проверка и отслеживание жизненного цикла eMMC 14:38

Оценка, проверка и отслеживание жизненного цикла eMMC

Важно понимать особенности управления флеш-памятью NAND в eMMC в современных устройствах и как они связаны с ее жизненным циклом. Это руководство поможет разработчикам и инженерам понять, как оценить и проверить срок службы устройства хранения данных eMMC при проектировании системы.

Дверь с вывеской South Seas LLC и сборка мини-ПК с установленным твердотельным накопителем Kingston 4:50

Как Kingston помогла South Seas Data завоевать репутацию надежной компании

Взаимоотношения South Seas Data и Kingston привели к большому успеху. Узнайте, как и почему.

Выравнивание износа памяти eMMC 3:13

Выравнивание износа памяти eMMC

Устройства хранения eMMC содержат блоки NAND, которые изнашиваются при постоянном использовании. Выравнивание износа продляет срок службы устройств eMMC, в первую очередь используя для хранения данных более «молодые» блоки памяти.

Связанные статьи

Блог Главная