Что такое нанд флеш

[Информационный пост] Историческая справка о типах NAND памяти

Привет, Гиктаймс! Известен факт, что производительность твердотельного накопителя зависит не только от контроллера, но и от типа памяти, которая используется в SSD. Дешевая медленная память убьет все преимущества быстрого контроллера, потому что вся нагрузка ложится именно на него, равно как и медленный контроллер не раскроет потенциал быстрой памяти. Рынку важнее большой объем за скромные деньги, нежели чистое искусство высокой скорости, а с учетом того, что эти две вещи несовместимы… Ключевая роль в этом уравнении отведена буквам – SLC, MLC и TLC. Именно о типах памяти и хочу повести речь в этом посте.

Для затравки представлю всех «участников забега» на очень длинную дистанцию:

Память SLC – Single-Level Cell – давно ушедший с рынка, самый быстрый, самый выносливый и самый дорогой тип памяти. Когда-то давно, в 2004 году доля рынка SLC чипов была более 80%, однако к 2011 они пропали из производства и на текущий момент можно считать их вымершими. Кроме скорости архитектура SLC также славится надежностью, поскольку контроллеру намного легче вылавливать ошибки.

Память MLC – Multi-Level Cell – она же 2-bit MLC – самый популярный на текущий тип памяти – на него приходится около 65 процентов рынка, но доля его неуклонно снижается. Именно такую память в основном использует компания Kingston. Скорость работы таких чипов ниже, чем SLC, но ее достаточно для раскрытия потенциала интерфейса SATA III (как в случае с HyperX Savage, например), а лучшие из образцов прекрасно подходят для работы в PCI-E накопителях, например, HyperX Predator.

Память TLC – Triple-Level Cell, он же 3-bit MLC – самый недорогой из трех типов памяти, появился на рынке в 2008 году и с тех пор пожирает рынок и по прогнозам может занять 90 процентов рынка уже в 2017 году. Что принесет разработка этого стандарта? В начале — небольшое падение скоростей для твердотельных накопителей большой емкости. А затем, после оптимизации и улучшения процесса производства — появление сверхъёмких и достаточно быстрых SSD по 4 терабайта и более по вполне вменяемым (в долларах США) ценам. Kingston закладывает такой переход в дальнейшую стратегию развития и вскоре мы увидим первые серийные твердотельные диски на новом типе памяти.

Следует сделать отступление на тему ресурса — указанные данные — это теоретический максимум для каждого типа памяти, реальные же цифры обусловлены также техпроцессом производства, качеством пластины, а соответственно и ценой за чип (чем дешевле чипы, тем короче срок службы) и способом оптимизации работы твердотельного накопителя в каждом отдельно взятом контроллере (качественный контроллер с качественной прошивкой всегда дороже).

Кто потребляет NAND память?

А вот тут очень интересная история – на долю USB Flash Drive – выпадает около 5% от общего потребления чипов, на долю карт памяти – около 10%, примерно 20% на долю компьютерного рынка (SSD). А где еще 65% спросите вы? Планшеты – забирают себе 20 процентов, еще 5 процентов у МР3-плееров и других подобных устройств, а 40% съедают – смартфоны. Кстати, еще один любопытный факт – компания Apple потребляет 16% от общего количества выпускаемой флеш-памяти. Здесь важно понимать, что направление развития рынка диктует, в первую очередь, мобильное направление, а уж десктопы покорно следуют за толпой демонстрантов с радостными лозунгами.

Скорость обмена данными между центральным и графическим ядрами и системой хранения растет достаточно быстро для того, чтобы в обозримом, но не ближайшем, будущем отказаться от оперативной памяти как таковой. Прямой доступ к кэшу накопителей будет прекрасным решением знаменитого «бутылочного горлышка».

Источник

Программирование NAND FLASH

2017-05-25 Дата последнего изменения: 2021-02-28

В статье рассматриваются особенности применения микросхем NAND FLASH, методы разметки страниц и управления плохими блоками, даны рекомендации по программированию на программаторах ChipStar.

CОДЕРЖАНИЕ:

1. ТЕОРИЯ

1.1. Отличие микросхем NAND FLASH от обычных микросхем

Если не вникать в тонкости технологий, то отличие микросхем NAND от других микросхем памяти заключается в следующем:

Есть еще несколько отличий, но первые три особенности являются ключевыми. Больше всего проблем доставляет наличие ошибок и плохих блоков.

1.2. Разновидности микросхем NAND FLASH

Первоначально NAND FLASH были только одного типа: обычные (RAW) NAND. И на сегодняшний день эти микросхемы составляют большинство микросхем типа NAND. Однако производители микросхем, быстро начали расширять возможности применения NAND. Это стало приводить к появлению новых разновидностей NAND. Наиболее распространенные на сегодня разновидности NAND и их основные отличия сведены в таблицу:

Примечание: * У некоторых видов микросхем внутренее исправление ошибок может быть отключено.

Основное отличие разных видов микросхем NAND сводится к различиям в трех факторах:

В статье ниже описаны обычные микросхемы NAND или RAW NAND.

Микросхемы со встроенной генерацией кодов исправления ошибок (BENAND в терминологии Toshiba) отличаются от обычных NAND, только тем что сами исправляют некоторое количество одиночных ошибок, что несколько упрощает работу с ними: в большинстве случаев они могут быть считаны и записаны как обычная микросхема FLASH, однако если ошибок на странице окажется много весь блок содержащий страницу должен быть помечен как «плохой». Поэтому все что здесь написано о плохих блоках в полной мере относится и к ним.

О микросхемах c NAND с последовательным интерфейсом более подробно написано здесь.

О микросхемах eMMC NAND более подробно можно почитать в этой статье.

1.3. Организация микросхем NAND FLASH

Более подробно об организации и структуре микросхем NAND можно прочитать в специальной литературе, мы же отметим, что:

Если говорят о размере страницы микросхемы NAND 512 байт или 2К байт, то речь идет о размере основной области страницы, без учета запасной.

Класс микросхем NAND	Интерфейс	Исправление ошибок (ECC)	Управление плохими блоками
RAW NAND (обычные NAND)	Паралельный / NAND	Выполняет внешнее устройство	Выполняет внешнее устройство
beNAND		Реализовано внутри микросхемы (*)
Serial NAND / SPI NAND	SPI
OneNAND	Паралельный / FLASH
eMMC	MMC

Типичные размеры страниц NAND (в байтах):

1.4. Способы использования запасной области страницы

Еще раз напомним, что по замыслу разработчиков NAND микросхем в запасной области должны находится: маркеры плохих блоков, контрольные суммы основной области данных, прочая служебная информация.

Большинство разработчиков описывает только место расположения маркеров плохих блоков в поставляемых микросхемах. По остальным аспектам использования запасной области даются общие рекомендации и алгоритм вычисления ЕСС, обычно по Хэмингу. Samsung идут несколько дальше, разработав рекомендации с названием » Запасная область флэш-памяти NAND. Стандарт назначения » («NAND Flash Spare Area. Assignment Standard», 27. April. 2005, Memory Division, Samsung Electronics Co., Ltd).

Итак, этот стандарт предполагает следующее использование запасной области:

Название	Размер основной области	Размер запасной области	Общий размер страницы	Пример микросхемы

Использование запасной области
для микросхем с размером страницы 512+16 байт:

Для микросхем с размером страницы 2048+64 байт основная и запасная область страницы разбивается на 4 фрагмента (сектора) каждая:

Смещение (байт)	Размер (байт)	Назначение	Описание

Область	Размер (байт)	Фрагмент
Основная	512	Сектор 1
	512	Сектор 2
	512	Сектор 3
	512	Сектор 4
Запасная	16	Сектор 1
	16	Сектор 2
	16	Сектор 3
	16	Сектор 4

Каждому фрагменту их основной области ставится в соответствие фрагмент запасной области.

Использование запасной области (для каждого из четырех фрагментов)
у микросхем с размером страницы 2048+64 байт:

Но это не единственный «стандарт» для распределения памяти страниц, только нам известны их несколько десятков, например:

1.5. Образ NAND и двоичный образ

Вы можете столкнуться с двумя вариантами образа для записи:

Те специалисты, которые занимаются ремонтом различной аппаратуры, чаще сталкиваются со вторым случаем. В таком случае часто бывает затруднительно определить использованный способ распределения запасной области и метод управления плохими блоками.

1.6. Заводская маркировка плохих блоков

Единственное что более или менее стандартизовано, так это заводская маркировка плохих блоков.

Есть одна проблема: плохой блок можно стереть. Таким способом можно потерять информацию о плохих блоках микросхемы.

Однако, если микросхема уже работала в устройстве, далеко не всегда используется такая методика маркировки плохих блоков. Иногда даже информация о плохих блоках не хранится в памяти NAND. Но, чаще всего, если даже разработчик программного обеспечения устройства использует иную схему управления плохими блоками, заводскую разметку предпочитает не стирать.

1.7. Управление плохими блоками

Разработчики NAND микросхем предлагают использовать следующие схемы управления плохими блоками:

Также к методам управления плохими блоками иногда относят использование коррекции ошибок (ECC). Необходимо отметить, что использование коррекции одиночных ошибок не избавляет от множественных ошибок и все равно вынуждает использовать одну из приведенных выше схем. Кроме этого, большинство NAND микросхем имеют гарантировано бессбойную область, в которой не появляются плохие блоки. Бессбойная область, как правило, располагается в начале микросхемы.

Указанные методы управления плохими блоками хорошо описаны в технической документации производителей NAND и широко обсуждены в литературе по использованию NAND. Однако коротко напомним их суть:

Пропуск плохих блоков:
Если текущий блок оказался сбойным он пропускается и информация пишется в следующий свободный блок. Эта схема универсальна, проста в реализации, однако несколько проблематична для случаев, когда плохие блоки появляются в процессе эксплуатации. Для полноценной работы этой схемы логический номер блока должен хранится внутри блока (стандарт назначения запасной области от Самсунг, собственно это и предполагает). При работе по этой схеме контроллер должен где-то хранить таблицу соответствия логических номеров блоков их физическим номерам иначе доступ к памяти будет сильно замедлен.

Поэтому логическим развитием является схема использования запасной области:
По этому методу весь объем памяти разбивается на две части: основная и резервная. При появлении сбойного блока в основной памяти он заменяется блоком из запасной памяти, а в таблице переназначения блоков делается соответствующая запись. Таблица переназначения хранится или в гарантировано бессбойном блоке или в нескольких экземплярах. Формат таблицы разный, хранится она в разных местах. Опять таки Самсунг описывает стандарт на формат и расположение таблицы, но ему мало кто следует.

2. ПРАКТИКА

2.1. Сканирование плохих блоков микросхемы NAND

Программатор ChipStar позволяет быстро сканировать микросхему NAND на наличие плохих блоков в соответствии с заводской маркировкой плохих блоков.

Выберите пункт меню «Микросхема|Искать плохие блоки«, микросхема будет проверена на наличие плохих блоков. Результат показан в виде таблицы.

Это действие необходимо выполнить только в том случае, если вы хотите просто просмотреть список плохих блоков. Во всех остальных случаях поиск плохих блоков выполняется автоматически, когда это необходимо.

2.2. Плохие блоки в образе NAND

При считывании образа микросхемы NAND программатор дополнительно сохраняет информацию о размере страницы и блока микросхемы. Информация сохраняется в отдельном файле. Так если вы считали и сохранили образ микросхемы в файле .nbin программа создаст еще один файл: .cfs. При открытии файла .nbin файл .cfs так же будет считан. В файле .cfs записывается информация о размере страницы и блока микросхемы. После считывания микросхемы или открытия файла типа .nbin, производится фоновое сканирование образа на наличие плохих блоков исходя из информации о размере страницы и блока.

Параметры NAND и информацию о плохих блоках можно посмотреть в закладке «NAND» редактора программатора:

Двоичный образ NAND можно просматривать в закладке «Основная память«:

В режиме редактора NAND запасная область страницы выделяется более тусклым цветом, так же становятся доступны кнопки перемещения по страницам, блокам и быстрого перехода в начало запасной области текущей страницы. В строке статуса редактора кроме адреса курсора дополнительно отображается номер страницы и номер блока в которых находится курсор. Все это позволяет более удобно просмотреть содержимое микросхемы.

2.3.Стирание NAND

По умолчанию программатор не стирает плохие блоки, но если отключить опцию «Проверка и пропуск плохих блоков» плохие блоки могут быть стерты и разметка плохих блоков может быть потеряна. Отключать эту опцию нужно только в случае необходимости.

Пропускаются только плохие блоки помеченные в соответствии с заводской маркировкой. Если в устройстве используется иная маркировка плохих блоков, то они будут стерты, поскольку программное обеспечение программатора их не увидит. Для работы с нестандартными разметками плохих блоков программатор может использовать внешние плагины.

2.4. Тестирование микросхемы на отсутствие записи

По умолчанию программатор игнорирует все плохие блоки при проверке, но если отключить опцию «Сканирование и пропуск плохих блоков» плохие блоки будут проверены что, естественно, приведет к ошибкам тестирования.

2.5. Запись готового образа в микросхему

Запись образа NAND в микросхему несколько отличается от обычных FLASH микросхем. Прежде всего должны совпадать размеры страниц образа и целевой микросхемы. Если используется управление плохими блоками должны совпадать размеры блоков образа и микросхемы.

Программное обеспечение всех программаторов ChipStar поддерживает три метода управления плохими блоками встроенными средствами и неограниченное количество с помощью плагинов. Кроме того, можно задать количество записываемых блоков в начале микросхемы, что фактически является четвертым способом управления плохими блоками.

Способ 1: игнорирование плохих блоков

Простое копирование с игнорированием плохих блоков (плохие блоки пишутся так же, как нормальные).

Смещение (байт)	Размер (байт)	Назначение	Описание

Исходный образ	Микросхема (исходное состояние)	Микросхема (результат)
Блок 0 хороший	Блок чистый	Блок 4 хороший
Граница записи
Блок 5 хороший	Блок чистый	Блок чистый

Наиболее хорошо подходит для копирования микросхем NAND, не вникая в ее внутреннюю структуру, при условии, что записываемая микросхема не содержит плохих блоков. Если в исходном образе присутствовали плохие блоки, в итоге образуются ложные плохие блоки. Появление ложных плохих блоков не скажется на функционировании устройства. Однако, если микросхема уже содержит плохие блоки, при попытке записи в такую микросхему появятся сбойные блоки с непредсказуемыми последствиями. Совет: можно попытаться стереть микросхему полностью, включая плохие блоки, затем выполнить копирование. Если запись в плохой блок завершится успешно (такое часто бывает), ваше устройство будет функционировать правильно, в дальнейшем программное обеспечение устройства выявит плохой блок и заменит его хорошим в соответствии со своим алгоритмом работы.

Способ 2: обход плохих блоков

Исходный образ	Микросхема (исходное состояние)	Микросхема (результат)
Блок 0 хороший		Блок чистый	Блок 0 хороший
Блок 1 плохой	Блок чистый	Блок чистый
Блок 2 хороший		Блок чистый	Блок 2 хороший
Блок 3 хороший		Блок чистый	Блок 4 хороший
Граница записи
Блок 5 хороший	Блок чистый	Блок чистый

При обходе плохих блоков не записываются плохие блоки из исходного образа и не пишется информация в плохие блоки микросхемы. Это не самая лучшая политика копирования, но она безопасна в отношении плохих блоков микросхемы: не теряется информация о плохих блоках микросхемы и не появляются ложные плохие блоки. В ряде случаев такая политика копирования может помочь восстановить работоспособность неизвестного устройства.

Способ 3: пропуск плохих блоков

Исходный образ	Микросхема (исходное состояние)	Микросхема (результат)
Блок 0 хороший		Блок чистый	Блок 0 хороший
Блок 1 плохой		Блок чистый	Блок 2 хороший
Блок 2 хороший		Блок чистый	Блок 3 хороший
Блок 3 хороший		Блок плохой	Блок плохой
Блок 4 хороший		Блок чистый	Блок 4 хороший
Граница записи
Блок 5 хороший	Блок чистый	Блок чистый

Запись с пропуском плохих блоков предполагает что в устройстве используется именно такой алгоритм управления плохими блоками, а не какой-либо другой. При этих условиях гарантировано правильное копирование информации.

Способ 4: запись только гарантированно бессбойной области

В большинстве современных NAND микросхем первые блоки (как минимум один) гарантированно не имеют сбоев. Во многих устройствах в начале микросхемы располагается код загрузчика и операционной системы устройства. Часто бывает достаточно копирования только этих областей.

В диалоге настроек режимов записи укажите записываемый размер в блоках.

Другие способы управления плохими блоками

Программное обеспечение программаторов ChipStar поддерживает любые алгоритмы управления плохими блоками NAND при помощи внешних плагинов. При наличии установленных плагинов описания дополнительных методов появляются в списке «Управление плохими блоками NAND«. Настроить параметры выбранного метода можно нажав кнопку «Внешний плагин«.

Использование кодов, исправляющих ошибки (ECC)

Использование кодов, исправляющих ошибки позволяет восстанавливать одиночные ошибки на странице NAND.

Могут быть использованы разные алгоритмы, восстанавливающие одиночные ошибке в секторе. В зависимости от алгоритма ECC, может быть восстановлено разное количество ошибок на сектор (512+16 байт). Под термином «одиночные» понимается ошибка только в одном бите данных. Для NAND с размером страницы 512+16 байт понятие «сектор« и «страница« совпадают. Для NAND с большим размером страниц программатор ChipStar использует схему разметки страницы на сектора, как описано выше. В установках записи или верификации можно указать, сколько ошибок на сектор может исправлять используемый в вашем устройстве алгоритм. Соответственно, микросхемы с допустимым количеством ошибок не будут забракованы, информация о количестве исправимых ошибок выводится в окне статистики:

Информацию о количестве допустимых ошибок на сектор для каждой конкретной микросхемы можно уточнить в документации на микросхему. Все вновь добавляемые микросхемы NAND вносятся в базу данных программатора с учетом количества допустимых ошибок.

При самостоятельном добавлении микросхем:

Для новых микросхем NAND производства Samsung значение допустимого количества ошибок на сектор закодировано в составе идентификатора микросхемы. Поэтому, для таких микросхем допустимое количество ошибок на сектор также будет установлено правильно.

При считывании содержимого микросхемы с целью его дальнейшего сохранения или копирования, одиночные ошибки не могут быть достоверно выявлены. Полученный образ может быть затем отдельно подвергнут анализу на ошибки путем вычисления проверочных кодов ECC внешним приложением, при условии, что точно известен используемый алгоритм и разметка страницы.

Программное обеспечение программатора ChipStar предлагает косвенный статистический способ выявления и устранения одиночных ошибок. Способ позволяет выявить только неустойчивые ошибки с не гарантированной достоверностью. Для выполнения чтения с выявлением ошибок нужно выбрать режим «Выборочное чтение» и на закладке «NAND» отметить флажок «Включить режим исправления ошибок«

Можно настроить количество повторов чтения для сравнения и общее количество повторов чтения при ошибке. Следует иметь в виду, что использование данного способа существо замедляет процесс чтения.

Статистический алгоритм выявления ошибок работает следующим образом:

Алгоритм хорошо работает в том случае, если вероятность ошибки в конкретном бите микросхемы меньше 0.5. При чтении микросхемы ведется подсчет «исправленных» ошибок и вероятности правильного чтения.

2.6. Преобразование двоичного образа в образ NAND

Все описанное выше больше касалось копирования NAND и записи по образцу микросхемы, однако часто бывает нужно записать исходный бинарный образ программы в чистую микросхему. Перед записью нужно преобразовать двоичный образ в образ NAND, добавив к каждой странице запасную область и правильно заполнив ее. Для этого откройте ваш двоичный файл, выберите пункт меню «Правка|Переключить режим NAND редактора«. Появится диалог:

Задайте режим преобразования в формат NAND: «Образ двоичный. «, укажите размер страницы и блока NAND или выберите необходимую микросхему. Выберите формат запасной области. Программатор поддерживает простое заполнение области значениями FF встроенными средствами и другие способы при помощи плагинов. Вместе с программатором поставляется плагин, реализующий стандарт назначения запасной области, рекомендованный Самсунг.

2.7. Совместимость с образами NAND, считанными другими программаторами

Если у вас есть образ NAND, считанный другим программатором или полученный из другого источника, его нужно преобразовать в формат, пригодный для записи программатором ChipStar.

Для этого выполните следующие действия:

Таким же образом нужно преобразовать файлы, созданные программным обеспечением ChipStar версий ранее, чем 3.5.1.0.

Источник

Исходный образ	Микросхема (исходное состояние)	Микросхема (результат)
Блок 0 хороший		Блок чистый	Блок 0 хороший
Блок 2 хороший		Блок чистый	Блок 1 хороший
Граница записи
Блок плохой	Блок чистый	Блок чистый
Блок 3 хороший	Блок плохой	Блок плохой
Блок 4 хороший	Блок чистый	Блок чистый
Блок 5 хороший