將軍與士兵：固態硬盤主控與閃存原理

王青 / 2019-01-24 09:2427166

固態硬盤當中閃存負責存儲數據，主控負責與電腦主機進行直接溝通。在大家的印象中，主控像是負責指揮的將軍，而閃存是具體執行任務的士兵。俗話說，不想當將軍的士兵不是好士兵，閃存其實并不簡單，在它之內同樣有復雜的控制電路存在。下圖為東芝TR200固態硬盤拆解，由1顆主控與8顆閃存顆粒組成。

主控在實現基本的數據讀寫功能之外，還需要處理不同閃存單元之間的磨損均衡、垃圾回收，使得整個固態硬盤能否發揮出更佳的性能與壽命。下圖為東芝TR200固態硬盤所采用的東芝TC58NC1010GSB主控芯片。

平時介紹固態硬盤主控的文章較多，而對于閃存的內部結構，大家所知不多。閃存是如何被主控管理的？他們之間遵循的又是哪一種語言？接下來就以東芝TR200固態硬盤使用的BiCS閃存為例，一起了解熟悉而又神秘的閃存。

閃存根據接口的不同分為Toggle和ONFI兩類，東芝和三星屬于Toggle陣營，而美光和SK Hynix則屬于ONFI陣營，二者定義了不同的主控-閃存溝通“語言”。下圖為東芝TR200固態硬盤當中的3D閃存顆粒采用了TSOP封裝，具有成本低、工作穩定等特點。

TSOP閃存封裝的兩側共有48個針腳用于供電、控制和數據信號的傳輸。在不同的閃存接口模式下，這些針腳還具備了不同的定義，通常用到的是Toggle DDR2.0定義，閃存接口帶寬400MT/s。

通過這些TSOP針腳，閃存顆粒內的邏輯與控制電路就可以與外接進行溝通。閃存內的控制電路解讀主控發來的指令，并操控閃存陣列完成相應的閃存讀取、寫入、擦除等動作。

閃存顆粒內的結構是大眾平時很難接觸到的另一個微觀世界。除了邏輯與控制電路外，閃存顆粒中占主要面積的是存儲數據的閃存單元陣列。在LUN、Plane層次，閃存可以充分發揮并行的優勢，實現性能倍增。

在Plane內，閃存單元依據Block、Page編址，這是主控訪問和控制閃存的基礎。

閃存顆粒對外有多個引腳，分別對應了不同的定義和功能，比如CE代表ChipEnalbe，給某個閃存Target對應的CE引腳加上高電平，就可以選中它以便進行其后的操作。下圖所示的閃存讀取過程中，CLE升高的時候可以通過DQ數據引腳將閃存命令輸入到閃存中的命令寄存器。接下來ALE升高，由DQ數據引腳輸入閃存地址。閃存收到讀取命令和命令對應的地址之后，R/B狀態拉低表示當前正忙。然后是DQS數據選通升高，通過DQ引腳輸出讀取到的數據給主控，最終再由主控處理后回饋給電腦主機。

閃存的設計與制造充滿技術挑戰。作為閃存世界的締造者，東芝目前已經通過96層堆疊與QLC技術實現了最高1.33Tb的存儲密度，單個閃存顆粒的容量最高可達2.66TB。大容量閃存將引領手機走向TB級存儲空間，電腦固態硬盤也將隨著單位容量成本的降低而得到更高的普及率。下圖為東芝BiCS4 QLC閃存顆粒。