ClearNAND闪存改善系统设计

　　增强型ClearNAND闪存

　　图4所示为增强型ClearNAND闪存的架构。它支持1个ONFI 2.2接口和速度高达200MT/s的指令、地址和数据总线。VDDI去耦电容常见于e?MMC产品和内含控制器的其它闪存，用于对内部稳压器进行去耦。为向后兼容传统NAND闪存，VDDI连接放置在一个闲置引脚上。ClearNAND控制器支持两条内部闪存总线，其中一条用于连接偶数编号的逻辑单元(LUN)，另一条则连接奇数编号的逻辑单元。这两条独立闪存总线的速度高达200MT/s。此外，每条总线都配有各自的ECC引擎，可在两条总线上同时管理读操作或写操作。可以预见，未来的控制器还将支持面向400MT/s的ONFI 3接口规范。

　　下面将讨论增强型ClearNAND提供的四项高级功能：卷寻址、电子数据映像、中断功能和内部回写(copyback)。

　　卷寻址

　　卷寻址允许一个片选或芯片启动信号(CE#)对16个ClearNAND卷进行寻址。每个 ClearNAND控制器支持在一个MCP封装内堆叠8个裸片。ClearNAND控制器为主处理器或SSD控制器存取操作提供一个缓冲区。

　　如图5所示，增强型ClearNAND设计将存储容量扩大八倍，同时保持或提升了信号完整性，并减少了所需的有效芯片使能数量。这是因为对于SSD控制器，一个ClearNAND控制器仅代表一个负载，但是在一个MCP封装内最多可支持八个NAND裸片。

　　卷寻址概念有两层含义。第一层是为每个ClearNAND 封装确定卷地址。卷地址仅在初始化时分配一次，并保存到电源重启为止。第二层含义是卷选择指令本身，在这个新指令后面紧跟一个单字节(实际上只有4位)卷地址。一旦目标地址被选择，该地址就会保持被选状态，直到另一个卷被选择为止。这可以节省很多使能引脚。例如，一个32通道SSD需要8个使能引脚来控制两个8裸片标准NAND封装。上述32通道SSD示例需要总共256个使能引脚，而增强型ClearNAND卷寻址功能对相同数量的NAND闪存进行寻址只需32个使能引脚。此外，这相同的32个使能引脚可寻址容量是现有容量的八倍。

　　电子数据映像

　　增强型ClearNAND支持电子数据映像，这允许通过电子方式将数据总线信号顺序重映射为两种配置之一。这个功能对于PCB正反两面都安装ClearNAND闪存的高密度设计非常有用。利用一个特殊的初始化或复位序列，ClearNAND封装能够以电子方式检测闪存是安装在PCB的正面还是背面。例如，通常的做法是在上电后向闪存发送一个复位或FFh指令。为完成电子DQ映像，在执行完FFh指令后，主处理器必须接着执行传统的READ STATUS(70h)指令。安装在PCB正面的闪存检测到FFh-70h命令序列;而安装在PCB背面的闪存则检测到FFh-0Eh命令序列，并向主处理器确认这是背面闪存封装，然后重新将数据总线直接排在正面闪存的后面，这不仅可以改善PCB的布线，还能提高信号完整性。

　　Ready/Busy#被重新定义为中断

　　增强型ClearNAND闪存将现有的ready/busy#引脚重新定义为一个中断引脚。如图6所示，interrupt#信号仍是开漏信号，当ClearNAND卷或裸片就绪时，它提供一个实时中断信号。设计人员可以利用这个中断信号向主处理器或SSD控制器提供闪存实时状态。在一条总线上支持多个ClearNAND封装的大型配置中，interrupt#信号线可以连接在一起。当检测到一个中断信号时，主处理器或SSD控制器只要询问每个ClearNAND 封装或卷，即可知道是哪个卷发送的新状态信息。这个中断功能可节省主处理器或SSD控制器上的信号数量，同时提高SSD控制器对状态更新的响应能力。

　　内部回写

　　内部回写功能又称为内部数据迁移(internal data move)，是增强型ClearNAND 闪存最引人注目的特性之一。闪存的损耗均衡或碎片清理操作是指整理不同的NAND闪存页面和区块内的数据碎片，并将其合并成新的区块或区块序列，这个功能类似老式硬盘的磁盘碎片整理工具。对于这类操作，回写功能可为SSD系统提供巨大的优势。

　　再来看图2，当使用标准NAND闪存时，将数据碎片从一个区块转移到另一个区块通常需要执行下列操作：

　　SSD控制器发布一个READ指令和源地址以访问数据源页;SSD控制器从NAND闪存读取数据，同时执行运算和必要的ECC纠错操作，然后实现数据或元数据的更新操作;SSD控制器计算并加入新的ECC信息，然后发布新的PROGRAM指令、目的地址和数据序列，该操作将把数据保存到新的NAND闪存区块内。

　　在这个连续的操作过程中，当数据从源地址移到目的地址时，总线处于被占用状态，这个操作过程需要很长时间。假设一个8K的存储页，工作在200MT/s的ONFI 2.2同步总线需要大约 41μs来移动数据。因为数据必须移出再移进闪存，所以需要两倍的时间即82μs，但这个时间不包含ECC所花费的时间。在执行这个序列的过程中，ONFI闪存总线始终处于占用状态，不能处理其它任何操作。

　　与普通闪存不同，增强型ClearNAND闪存支持内部ECC。假如数据的源地址和目的地址都在ClearNAND封装内，采用内部ECC可以在封装内部执行回写操作。SSD控制器仍负责发布指令和地址，以及经修改的数据或元数据。ClearNAND控制器执行数据迁移操作，而不会占用外部的ONFI数据总线。如果SSD控制器能够把损耗均衡和碎片清理功能整合在一个ClearNAND封装内，它将在性能方面具有更强的优势。

　　图7所示是一个在标识为通道0和通道1的两路ONFI通道上采用增强型ClearNAND闪存的示例。在两个SSD通道上，我们看到有四个内部数据迁移操作同步进行，数据移动并没有占用外部ONFI总线。在必要时，这个特性允许SSD控制器和ONFI总线在ClearNAND封装之间迁移数据。根据用户所使用的架构，某些操作可能需要在ClearNAND封装之间甚至ONFI总线之间进行。利用内部数据迁移操作，可大幅提升碎片清理和损耗均衡操作的性能。

　　本文小结

　　美光公司的增强型ClearNAND闪存为系统设计人员提供更高的性能和更多的功能，同时缓解了NAND闪存对ECC纠错能力的日益严格的要求。增强型ClearNAND闪存支持与标准100-Ball BGA NAND闪存相似的焊球排列，用户可以设计出同时支持这两种封装的产品。例如，该产品将使SSD主控制器拥有充足的ECC纠错能力来直接支持SLC NAND闪存，选择增强型ClearNAND闪存还能满足ECC面临更大挑战的多级单元需求。

　　增强型ClearNAND闪存的卷寻址特性可使用更少的引脚实现更大容量寻址，从而为SSD方案中节省数百个引脚。电子数据映像功能可简化PCB设计和走线，同时还能提高ONFI总线的信号完整性。智能中断功能向SSD控制器提供实时状态更新信息，并最大限度地缩小对固件的轮询。两路内部NAND闪存总线可改善回写功能，从而提高闪存的性能。