Модуль eMMC від Kingston на тлі чорного корпусу комп’ютерної системи.

Оцінка, перевірка та моніторинг життєвого циклу накопичувача eMMC

Січ 2023
Блог
Процеси, що обробляються шиною NAND

Флеш-пам’ять NAND — це не просто носій для зчитування та запису даних. Для надійного використання даного пристрою необхідно реалізувати декілька алгоритмів: Керування блоками NAND, очищення пам’яті, контроль помилок і вирівнювання зносу. Сучасна флеш-пам’ять NAND керується алгоритмами в самому накопичувачі, а не хост-системою. Користувачі отримують користь від цього, оскільки керування NAND флеш-пам’яттю стає менш складним для хост-системи, що спрощує технічну підтримку й обслуговування продукту.

Запис даних хост-системою на NAND флеш-пам’ять має свої недоліки, які можenm призвести до передчасного пошкодження носія. Найменшою організаційною одиницею NAND є сторінка, яку можна зчитувати та програмувати, але не можна стирати. Єдиною організаційною одиницею, яку можна стерти, є блок, який містить багато сторінок. Тому неможливо перезаписати сторінки, поки не буде стертий весь блок. Згодом блоки можуть вийти з ладу після досягнення рівня їх витривалості. Дефекти також можуть стати причиною передчасного виходу з ладу.

NAND флеш-пам’ять має обмежену кількість циклів програмування-стирання. Після досягнення встановленої межі термін служби пристрою завершиться, тобто він більше не буде вважатися надійним. Витривалість залежить від конфігурації комірок NAND.

Конфігурація однорівневих комірок: ця система має найвищу витривалість і найбільшу межу допустимої похибки.

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 зчитує та записує дані в 512-байтові сектори, які є логічними, а не фізичними. Адреси секторів називають логічними адресами блоків, або LBA. Якщо дані змінюються, стирання всього блоку NAND є недоцільним, оскільки воно призводить до неефективного зносу сторінок, які не змінювалися. Таблиця зіставлення логічних і фізичних адрес (LBA-PBA) забезпечує меншу кількість записів для балансування зносу блоків, що називають вирівнюванням зносу. Завдяки таблиці перетворення адрес LBA зіставляються з PBA. Цей процес вирівнює знос блоків і підвищує швидкість запису.

Зіставлення адрес відбувається у такий спосіб:

  • розмір секторів eMMC становить 512 байт, а розмір сторінок NAND —16 кБ. Таблиця зіставлення виконує групування 32 послідовних адрес секторів у блок розміром зі сторінку.
  • Якщо сектор у групі сторінок змінено, контролер зчитує всю групу секторів для цієї сторінки, оновлює всі змінені сектори, а потім програмує нові дані на новій сторінці.
  • Після програмування оновленої сторінки таблиця оновлюється, перезаписуючи попередній запис адресою блоків і сторінок оновленої сторінки NAND.
  • Навіть якщо змінено лише один сектор, NAND флеш-пам’ять має запрограмувати всю сторінку. Цю неефективність називають посиленням запису. Коефіцієнт посилення запису (WAF) — це відношення кількості записів на флеш-пам’ять NAND до кількості записів на пристрій eMMC.

Невеликі, випадкові, не вирівняні за сторінками перезаписи зазвичай є найбільшим джерелом посилення запису. Щоб зменшити значення WAF, записи мають бути вирівняні на межі сторінки в блоках, кратних розміру сторінки. Цей оптимальний розмір блоку вказано в полі «Оптимальний розмір запису» розширеного регістра керування мікросхемою.

Формула для визначення загального обсягу записаних байтів, або TBW, доволі проста:

(ємність пристрою * коефіцієнт витривалості) / WAF = TBW

Зазвичай WAF має значення від 4 до 8, але це залежить від поведінки хост-системи під час запису. Наприклад, великі послідовні записи призводять до зменшення значення WAF, тоді як випадкові записи невеликих блоків даних призводять до збільшення значення WAF. Така поведінка нерідко призводить до передчасного виходу з ладу пристроїв для зберігання даних.

Наприклад, eMMC ємністю 4 ГБ із коефіцієнтом витривалості 3000 та коефіцієнтом посилення запису 8 відповідатиме таким параметрам:

(4 ГБ * 3000) / 8 = 1,5 ТБ

Загальний обсяг записаних байтів пристрою eMMC становить 1,5 ТБ. Отже, ми можемо записати 1,5 ТБ даних протягом усього життєвого циклу продукту, перш ніж закінчиться його термін служби.

Щоб дізнатись, який загальний обсяг записаних байтів вам потрібен, оцініть щоденне використання цього пристрою. Наприклад, для робочого навантаження з щоденним записом 500 МБ (і передбачуваним 5-річним життєвим циклом) знадобиться пристрій, здатний досягти показника TBW понад 915 ГБ:

0,5 ГБ * 365 = ~183 ГБ за рік, або 915 ГБ за 5 років

TBW можна використовувати для визначення максимально допустимого WAF пристрою, оскільки TBW = (DC * EF) / WAF. Якщо термін служби пристрою не може досягти цільового показника TBW для вашого робочого навантаження, ви можете спробувати покращити його. Розгляньте можливість встановлення режиму псевдооднорівневих комірок, який може збільшити витривалість вдесятеро після переведення пристрою з TLC або MLC флеш-пам’яттю в режим із одним бітом даних на комірку. Водночас різко зменшиться ємність: на 50% для пристрою в конфігурації MLC з двома бітами даних на комірку і більш ніж на 66% для пристрою в конфігурації TLC з трьома бітами даних на комірку. Якщо це рішення вас не влаштовує, виберіть пристрій більшого розміру, щоб впоратись із навантаженням. Пристрій із подвоєною ємністю матиме вдвічі більший ресурс.

Алгоритми eMMC від компанії Kingston забезпечують низький коефіцієнт посилення запису. Ми пропонуємо декілька конфігурацій, щоб знайти правильний баланс між продуктивністю, терміном служби та надійністю. Вік пристрою можна відстежувати за допомогою інструментів оцінки терміну служби JEDEC, які входять до EXT_CSD. Ця функція доступна для всіх пристроїв eMMC. Термін служби вказується з кроком 10% залежно від витривалості пристрою. Один інструмент повідомляє про вік блоків NAND флеш-пам’яті у конфігурації TLC або MLC, а інший — про вік блоків у режимі псевдооднорівневих комірок. Також пристрої eMMC від Kingston мають команди виробника, які повертають середній вік блоків пристрою. Вони точніші, ніж інструменти JEDEC, але для їх використання потрібна розробка невеликого програмного забезпечення. Крім того, ви можете надіслати свій пристрій, що відслужив свій термін, до компанії Kingston для проведення всебічного аналізу.

#KingstonIsWithYou

promo embedded

Запитайте експерта

Правильний вибір рішення вимагає розуміння проєктних та системних вимог. Дозвольте експертам Kingston допомогти в цьому.

Запитайте експерта

Пов’язані відео

Проектування вбудованих виробів для довголіття 51:35

Проектування вбудованих виробів для довголіття

Довговічність продукту є ключовою проблемою для багатьох вбудованих додатків, які зазвичай вимагають терміну служби 7-10 років. Враховуючи швидкі темпи розвитку та зміни технологій, довгострокова підтримка вбудованих продуктів може бути складною.

Оцінка, перевірка та моніторинг життєвого циклу eMMC 14:38

Оцінка, перевірка та моніторинг життєвого циклу eMMC

Важливо розуміти, як NAND флеш-пам'ять eMMC сховища працює в сучасних пристроях і як це пов'язано з її життєвим циклом. Цей посібник допоможе проектувальникам та інженерам зрозуміти, як оцінити та перевірити термін служби eMMC сховища під час проектування системи.

Двері з вивіскою South Seas LLC та мінікомп’ютер зі встановленим твердотільним накопичувачем Kingston 4:50

Як компанія Kingston допомогла South Seas Data завоювати репутацію надійного виробника

Відносини між South Seas Data та Kingston сприяли досягненню великого успіху: як і чому?

Вирівнювання зносу eMMC 3:13

Вирівнювання зносу eMMC

Пристрої для зберігання даних eMMC містять блоки NAND флеш-пам'яті, які зношуються під час постійного використання. Вирівнювання зносу подовжує термін служби пристроїв eMMC завдяки пріоритетному використанню «молодших» блоків для зберігання даних.

Пов’язані публікації

Блог