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咨询专家NAND 闪存不是简单的读/写数据介质。为提高使用的可靠性,应实施多种算法:NAND 块管理、碎片收集、错误控制和损耗均衡。现代 NAND 闪存使用存储设备上的算法管理,而不是在主机处理器中实施管理。这对其用户来说属于优点,因为减少了 NAND 管理的复杂性,简化了产品支持和维护。
主机写入 NAND 闪存的效率低,可能造成介质提早失败。NAND 最小的组织单位是页,可以读取和编程,但不能擦除。可以擦除的唯一组织单位是块,它包含多个页面。因此,在块被擦除之前不能覆盖页面。随着时间的过去,块在到达其耐力水平后就会失败。也可能发生导致提早失败的缺陷。
NAND 闪存提供有限的编程-擦除循环。达到该限制便意味着设备处于 EoL 状态,从而不再可靠。耐久性根据 NAND 单元的配置而有所不同。
单级单元配置:此设置的耐久性最高,误差幅度最大。
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 读取和写入 512 字节扇区单元,这是逻辑单元,而非物理单元。扇区地址称为逻辑块地址或 LBA。当修改数据时,擦除整个 NAND 块不切实际,会造成未更改的页面出现低效的损耗。LBA-PBA(物理块地址)映射架构提供更小的写入来均衡块损耗,称之为“损耗均衡”。LBA 通过地址转换表映射至 PBA。此过程会均衡块损耗,提高写入速度。
地址映射的过程如下所示:
小幅、随机、非页面对齐的重写通常是写入放大的最大来源。为尽可能减小 WAF,写入应在多个页面大小单元的页面边界对齐。此最佳单元大小在扩展 CSD 寄存器的“最佳写入大小”字段中。
用于确定写入总字节数(或 TBW)的公式简单易懂:
通常,WAF 介于 4 与 8 之间,但取决于主机系统写入行为。例如,大型连续写入会产生较低 WAF,而小数据块的随机写入会产生较高 WAF。这种行为通常会导致存储设备提早失败。
例如,耐久因子为 3000 WAF 为 8 的 4GB eMMC 等于:
eMMC 设备的写入总字节数为 1.5TB。因此,我们可在产品达到 EoL 状态之前的整个生命周期写入 1.5TB 数据。
要预估您的 TBW 要求,请先预估相关设备的每日使用量。例如,每天写入 500MB(预期 5 年使用寿命)的工作需要一部 TBW 超过 915GB 的设备:
TBW 可用于确定设备的最大允许 WAF,因为 TBW = (DC * EF) / WAF。如果设备使用寿命不能达到产品应用的目标 TBW,您可以尝试改进其性能。考虑使其进入 Pseudo Single Level Cell(伪单级单元)模式,通过将设备从 TLC 或 MLC 转换为每单元一位模式,使耐久性提高十倍。但这会大幅减少容量:每单元两位 MLC 设备会减少 50%,三位 TLC 设备则减少超过 66%。如果您对此解决方案不满意,也可以选择更大的设备来处理同样的工作。设备容量提高一倍,TBW 也会增大一倍。
Kingston 的 eMMC 算法可实现低写入放大率。我们提供多种配置来均衡性能、使用寿命及可靠性。使用 EXT_CSD(所有 eMMC 设备共享的一项功能)中的 JEDEC 使用寿命预估工具监控设备的使用寿命。根据设备的耐久力以 10% 的增量报告使用寿命。一个工具报告 TLC 或 MLC 配置的 NAND 闪存块的使用寿命,而其他工具报告伪 SLC 模式中配置的块的使用寿命。Kingston eMMC 设备也有厂商命令可用于恢复设备的平均块使用寿命。这些比 JEDEC 工具更精确,但需要进行一点软件开发才可使用。或者,您也可以将老化的设备寄送给 Kingston 做更全面的分析。
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