一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態硬盤控制器芯片架構

李 煒

(中電海康集團有限公司，浙江 杭州 311121)

一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態硬盤控制器芯片架構

李 煒

(中電海康集團有限公司，浙江 杭州 311121)

傳統企業級固態硬盤存儲芯片采用外接DRAM(Dynamic Random Access Memory)顆粒的方式來存儲閃存地址轉換映射表，不僅成本高，占用面積大，還需要設計復雜的掉電保護流程和額外的備電保持電容。利用新型磁旋存儲芯片的掉電非易失特性，以及密度高、速度快、功耗低、數據保持時間長、可擦寫次數無限等特點，提出了一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態硬盤控制器架構方案，能夠大大簡化控制器芯片的掉電異常流程和備電設計，節省固態硬盤內部的備電電容成本，有效支撐固態硬盤的容量提升。

磁旋存儲芯片；固態硬盤；芯片架構；嵌入式

0 引言

隨著大數據和云計算的發展，大量的數據需要進行存儲，另一方面，隨著NAND閃存(NAND Flash)工藝的進步和良率的提升，固態硬盤(Solid State Disk，SSD)的成本已經下降至接近企業級機械硬盤(Hard Disk Drive)相當的水平，SSD在服務器、數據中心以及存儲系統中的應用越來越廣泛。

傳統的企業級SSD控制器大多采用基于DRAM方案的數據和表項存儲方案，不僅設計難度大，掉電異常流程復雜，而且在SSD盤內需要占用大量的空間用來擺放備電鉭電容，既增加了成本又制約了盤內利用空間，無法做到SSD的容量提升。

本文將嵌入式磁旋存儲芯片(Spin-Transfer-Torque Magnetic Random Access Memory, STT-MRAM)應用于SSD控制器芯片架構設計中，能夠簡化掉電異常流程，節省SSD盤內備電電容，并可以提升硬盤容量達30%以上。

1 當前固態硬盤控制器架構方案簡介

圖1為當前主流企業級固態硬盤架構方案示意圖。

圖1 主流SSD控制器芯片架構圖

當前的固態硬盤控制器芯片分為前端主機接口模塊、系統管理模塊、后端Flash接口模塊幾個主要的部分。

前端主機接口模塊主要負責接收和處理主機側下發的讀寫命令并將數據接收下來存到DRAM中。企業級SSD中，由于對性能要求高，前端主機接口基本上選用基于NVMe(Non-Volatile Memory Express)協議的第三代PCIe(PCI Express)的接口，除此之外，SAS(Serial Attached SCSI)12 G和SATA(Serial ATA)接口也是當前SSD前端主機接口的主流協議。

系統管理模塊是SSD控制器芯片的最核心單元，包括閃存地址映射表(Flash Translate Layer，FTL)管理、元數據管理、日志管理、流程控制等。其中FTL表項管理是其中最重要的部分。

FTL主要處理主機下發的邏輯地址(Logic Block Address，LBA)到介質顆粒里存儲的物理地址(Physical Block Address, PBA)之間的映射表，是讓閃存完全模擬傳統硬盤操作的軟件層，有了FTL層閃存設備才能使用，FTL層的效率直接影響設備的性能表現。

系統管理模塊的作用主要包括下面幾點：FTL表項管理；垃圾回收的處理；增量空間的供給；冷/熱數據的交換處理；Plane、芯片、通道間的并行處理；任務請求的排序；緩沖區的管理；壞塊的管理；磨損平衡的處理；掉電恢復的處理；ECC的處理。

NAND Flash Interface主要負責處理NAND Flash顆粒的數據與命令交換。NFI負責把主機側的讀寫命令轉化成兼容ONFI和Toggle的標準NAND接口協議，并在NAND顆粒與控制器數據緩存之間做數據的讀寫交互。

在SSD盤片的PCB板上，除了控制器芯片和大量的NAND Flash顆粒之外，還包括下列幾個主要組成部分：

(1)外掛DRAM顆粒在SSD盤片的作用主要有兩個方面：作為讀寫數據的緩存及存取FTL映射表。為了滿足此設計需求，控制器芯片設計中為了適配DDR協議，需要開發DDR Controller與DDR PHY進行適配，PCB上還要預留額外空間進行DRAM顆粒的排布以及高速信號布局布線。

(2)Electrical Capacity(備電電容)的作用是為了在意外掉電的情況下，能夠及時地把DRAM顆粒中存儲的FTL表項在備電電容電量的支撐下，安全及時地下刷至非易失性介質(NAND Flash)，防止FTL表項丟失引發的數據丟失情況。

傳統SSD控制器芯片架構的不足在于以下幾點：

(1)由于企業級業內常用的方案是用外接DRAM顆粒來存儲FTL表項，因此在芯片內部需要額外的DDRPHY和DDR 控制器進行適配，開發DDR控制器和DDR PHY的難度相當大，而從EDA vendor處進行IP 授權的費用又相當昂貴，因此會增大設計開發成本。

(2)盤片內部空間限制，如圖2所示為標準2.5英寸SSD的印制電路板(PCB)示意圖。從國內某著名公司生產的企業級SSD盤片剖解可以看出，SSD硬盤的PCB板大約80%的空間是布滿了閃存介質顆粒，另外20%的空間擺放SSD控制器芯片、DRAM顆粒及備電電容等。

圖2 SSD盤片內部示意圖

(3)企業級SSD對于數據可靠性的要求極高，其設計時必須考慮在各種異常情況下(如異常掉電)能夠把控制器內部的最核心內容—FTL表安全可靠地存儲到非易失性介質中。在常規企業級SSD控制器芯片架構中，DRAM內部存儲著FTL表項，因此在遭遇掉電異常時，需要把DRAM內部的FTL表下刷至NAND Flash中。簡而言之，就是要在備電電容支撐電量的這一小段時間內，控制器能夠將FTL表項的數據以寫操作的形式存儲到NAND Flash中。因此在備電設計上，一是需要消耗數量巨大的貼片式鉭電容來提供備電能量，導致PCB上的可用空間會進一步縮小，二是備電涉及到數據的異常處理流程，會提高硬件以及固件設計的復雜度。

2 磁旋存儲芯片(STT-MRAM)的特點

在眾多新型非易失性存儲介質中，磁旋存儲芯片(STT-MRAM)能夠良好地與CMOS半導體工藝相兼容，利用較少的金屬層即可以做到存儲單元的高密度集成。同時由于其接近于靜態隨機存儲器(Static Random Access Memory, SRAM)的讀寫速度，極低的靜態和動態功耗，具備掉電不易失的特性，接近于無限的擦寫次數，高溫下長時間的數據保持能力以及抗強磁場輻射等特性，是作為企業級SSD控制器中數據緩存和FTL表項存儲的天生優良介質[1]。

當前，眾多半導體設計大廠都將MRAM芯片作為下一代非易失性存儲介質的研發重點，除了臺積電、三星和東芝一直在持續推進STT-MRAM的研發之外，美國的EVERSPIN公司已經發布了256 MB的量產測試芯片。隨著工藝的進步和良率的提升，STT-MRAM在存儲細分領域中的應用將會越來越廣泛[2]。

將嵌入式STT-MRAM應用在SSD控制器芯片架構設計中，充分利用其掉電不易失數據的特性，能夠節省大量的備電設計和備電流程，極大地簡化SSD的控制器架構設計。另外，由于節省了貼片式鉭電容，在PCB板上能夠留取更大的空間來支撐更多的NAND Flash顆粒的放置，達成更大的容量。除此之外，簡化了控制器芯片內部的DDR接口相關IP設計，利用嵌入式STT-MRAM的內部總線接口(SRAM-like)，既簡化了設計難度又能夠減少板上走線的信號延時，避免對接口高速信號的影響。

3 基于嵌入式磁旋存儲的SSD控制器架構方案

圖3為應用嵌入式STT-MRAM之后的SSD控制器芯片架構示意圖。

圖3 基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片架構圖

本方案的技術特征在于：

(1)移除SSD控制器芯片內部的DDR控制器和DDR PHY，直接以類SRAM(SRAM-like)的接口形式將嵌入式STT-MRAM集成在控制器芯片內部。

SRAM-like的總線接口信號包括片選CS、寫使能WE、讀使能RE、輸出使能信號OE、復位RST、時鐘CLK、地址線A[31:0]、數據輸入線DIN[31:0]及數據輸出線DOUT[31:0]。采用內部總線接口與控制器內部模塊進行交互，能夠極大地減少信號線傳輸延時以及外部接口協議帶來的額外開銷，進一步提升控制器的性能。

(2)STT-MRAM的主要作用在于：接收前端主機接口下發的數據，作為與后端Flash接口的數據緩存；存儲閃存地址轉換層表項；存儲元數據，如有效頁個數、壞塊管理信息、固件、啟動代碼、稀疏校驗矩陣等。

(3)備電流程的簡化。在傳統的SSD控制器芯片架構中，由于數據以及FTL表項都是存儲在DRAM中，而DRAM具有掉電易失數據的特性，因此為保證數據可靠性，在遭遇到異常掉電的情形下，傳統控制器芯片需要在板上備電電容的電量支撐下，主動發起Flash的寫操作，將需要保存的重要信息全部下刷到非易失的閃存中，當下一次上電后，控制器需要發起讀操作再將FTL表項等數據重新讀取到DRAM中，完成系統的初始化。圖4為SSD異常掉電流程圖。

在本架構方案中，由于嵌入式STT-MRAM的掉電非易失特性，在遭遇到掉電異常時，數據和FTL表項依然可以安全地進行存儲，因此系統備電流程將會被極大地簡化。盤片內部用來做備電的鉭電容也能夠去除，節省盤片內部的硬件設計成本。根據一款900 GB的SAS接口的企業級SSD盤片的解剖分析可以看到， 為了滿足備電需求，盤片PCB上一共放置了共400多個鉭電容。如果采用本架構方案，能夠將這些額外的鉭電容全部移除，一方面節省了硬件元器件成本，另一方面利用鉭電容移除的PCB面積來貼NAND Flash顆粒，至少能夠使SSD盤容量提升20%。

圖4 SSD異常掉電流程圖

4 結論

本文提出的基于嵌入式STT-MRAM的固態硬盤控制器架構，能夠極大地簡化控制器內關于FTL表項的備電流程，簡化盤片內的PCB設計難度和成本，在提升SSD讀寫性能的同時能夠有效支撐SSD做到更大的容量。隨著STT-MRAM的工藝技術進步和良率的提升，磁旋存儲芯片必將在更多的存儲細分領域中得到廣泛的應用。

[1] TANG D D， LEE Y J. Magnetic memory fundamentals and technology[M]. England： Cambridge University Press，2010.

[2] Xie Yuan. Emerging memory technologies: design, architecture, and applications[M]. Germany: Springer, 2014.

A SSD controller architecture based on embedded STT-MRAM

Li Wei

(China Electronics Technology HIK Group Co., Ltd., Hangzhou 311121, China)

Traditional enterprise Solid-State Disk (SSD) memory chip uses external Dynamic-Random-Access-Memory (DRAM) to store the flash address translate layer mapping table (FTL), this method is high cost, big area occupied, also needs complex power-loss protection flow and extra power backup capacitor. By using new non-volatile memory (NVM) like Spin-Transfer-Torque Magnetic Random Access Memory (STT-MRAM), it has a lot of benefits suck as non-volatile, high density, high speed, low power, long data retention time and unlimited program/erase cycle, proposed a new SSD controller architecture by using embedded STT-MRAM. This proposal can greatly simplify the controller power-loss protection flow and power backup design, save the power capacitor cost inside SSD, also can support the SSD big capacity requirement.Key words: STT-MRAM; Solid State Disk (SSD); architecture; embedded

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.009

李煒. 一種基于嵌入式磁旋存儲芯片的固態硬盤控制器芯片架構[J].微型機與應用，2017,36(1)：29-31.

2016-08-03)

李煒(1981-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：SoC芯片設計，磁旋存儲芯片設計與應用。