Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 一种基于嵌入式磁旋存储芯片的固态硬盘控制器芯片架构 李 炜 （中电海康集团有限公司，浙江杭州３１１１２１） 摘 要：传统企业级固态硬盘存储芯片采用外接ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）颗粒的方式来存储闪存地址转换映射 表，不仅成本高，占用面积大，还需要设计复杂的掉电保护流程和额外的备电保持电容。利用新型磁旋存储芯片的掉电非易失 特性，以及密度高、速度快、功耗低、数据保持时间长、可擦写次数无限等特点，提出了一种基于嵌入式磁旋存储芯片的固态硬盘 控制器架构方案，能够大大简化控制器芯片的掉电异常流程和备电设计，节省固态硬盘内部的备电电容成本，有效支撑固态硬 盘的容量提升。 关键词：磁旋存储芯片；固态硬盘；芯片架构；嵌入式 中图分类号：ＴＮ４９２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－７７２０．２０１７．０１．００９ 引用格式：李炜．一种基于嵌入式磁旋存储芯片的固态硬盘控制器芯片架构［Ｊ］．微型机与应用，２０１７，３６（１）：２９－３１． Ａ ＳＳＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＳＴＴ．ＭＲＡＭ Ｌｉ Ｗｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＨＩＫ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ（ＳＳＤ）ｍｅｍｏｒｙ ｃｈｉｐ ｕｓｅｓ ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｄｙｎａｍｉｃ・Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ－Ｍｅｍｏｒｙ（ＤＲＡＭ）ｔｏ ｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｌｆａｓｈ 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（Ｓ１Ｙｒ－ 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 Ｏ 引言 随着大数据和云计算的发展，大量的数据需要进行存 储，另一方面，随着ＮＡＮＤ闪存（ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ）工艺的进步 和良率的提升，固态硬盘（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ，ＳＳＤ）的成本已 经下降至接近企业级机械硬盘（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）相当的 水平，ＳＳＤ在服务器、数据中心以及存储系统中的应用越 来越广泛。 传统的企业级ＳＳＤ控制器大多采用基于ＤＲＡＭ方案 图１主流ＳＳＤ控制器芯片架构图 当前的固态硬盘控制器芯片分为前端主机接口模块、 系统管理模块、后端Ｆｌａｓｈ接口模块几个主要的部分。 的数据和表项存储方案，不仅设计难度大，掉电异常流程 复杂，而且在ＳＳＤ盘内需要占用大量的空间用来摆放备 电钽电容，既增加了成本又制约了盘内利用空间，无法做 到ＳＳＤ的容量提升。 前端主机接口模块主要负责接收和处理主机侧下发 的读写命令并将数据接收下来存到ＤＲＡＭ中。企业级 ＳＳＤ中，由于对性能要求高，前端主机接口基本上选用基 于ＮＶＭｅ（Ｎｏｎ．Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ｅｘｐｒｅｓｓ）协议的第三代 ＰＣＩｅ（ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ）的接口，除此之外，ＳＡＳ（Ｓｅｒｉａｌ Ａｔｔａｃｈｅｄ ＳＣＳＩ）１２ Ｇ和ＳＡＴＡ（Ｓｅｒｉａｌ ＡＴＡ）接口也是当前ＳＳＤ前端 主机接口的主流协议。 本文将嵌入式磁旋存储芯片（Ｓｐｉｎ—Ｔｒａｎｓｆｅｒ—Ｔｏｒｑｕｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ，ＳＴＴ．ＭＲＡＭ）应用于ＳＳＤ 控制器芯片架构设计中，能够简化掉电异常流程，节省 ＳＳＤ盘内备电电容，并可以提升硬盘容量达３０％以上。 １ 当前固态硬盘控制器架构方案简介 图１为当前主流企业级固态硬盘架构方案示意图。 系统管理模块是ＳＳＤ控制器芯片的最核心单元，包 括闪存地址映射表（Ｆｌａｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｅ Ｌａｙｅｒ，ＦＴＬ）管理、元数 《微型机与应用）２０１７年第３６卷第１期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｔｏｍ ２９ Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 据管理、１３志管理、流程控制等。其中ＦＴＬ表项管理是其 中最重要的部分。 ＦＴＬ主要处理主机下发的逻辑地址（Ｌｏｇｉｃ Ｂｌｏｃｋ Ａｄ． ｄｒｅｓｓ，ＬＢＡ）到介质颗粒里存储的物理地址（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｂｌｏｃｋ Ａｄｄｒｅｓｓ，ＰＢＡ）之间的映射表，是让闪存完全模拟传统硬 盘操作的软件层，有了ＦＴＬ层闪存设备才能使用，ＦＴＬ层 的效率直接影响设备的性能表现。 系统管理模块的作用主要包括下面几点：ＦＴＬ表项管 理；垃圾回收的处理；增量空间的供给；冷／热数据的交换 ＰＣＢ 图２ ＳＳＤ盘片内部示意图 处理；Ｐｌａｎｅ、芯片、通道间的并行处理；任务请求的排序； 就是要在备电电容支撑电量的这一小段时间内，控制器能 缓冲区的管理；坏块的管理；磨损平衡的处理；掉电恢复的 处理；ＥＣＣ的处理。 ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ主要负责处理ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ颗粒 的数据与命令交换。ＮＦＩ负责把主机侧的读写命令转化 成兼容ＯＮＦＩ和Ｔｏｇｇｌｅ的标准ＮＡＮＤ接口协议，并在 ＮＡＮＤ颗粒与控制器数据缓存之间做数据的读写交互。 在ＳＳＤ盘片的ＰＣＢ板上，除了控制器芯片和大量的 ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ颗粒之外，还包括下列几个主要组成部分： （１）外挂ＤＲＡＭ颗粒在ＳＳＤ盘片的作用主要有两个 方面：作为读写数据的缓存及存取ＦＴＬ映射表。为了满 足此设计需求，控制器芯片设计中为了适配ＤＤＲ协议，需 要开发ＤＤＲ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ与ＤＤＲ ＰＨＹ进行适配，ＰＣＢ上还要 预留额外空间进行ＤＲＡＭ颗粒的排布以及高速信号布局 布线。 （２）Ｅｌ昌圉 ｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ（备电电容）的作用是为了在意 外掉电的情况下，能够及时地把ＤＲＡＭ颗粒中存储的ＦＴＬ 表项在备电电容电量的支撑下，安全及时地下刷至非易失 性介质（ＮＡＮＤ Ｆｌ囤圈 一 ａｓｈ），防止ＦＴＬ表项丢失引发的数据丢 失情况。圈围 传统ＳＳＤ控制器芯片架构的不足在于以下几点：囤囤 ］ －＿］］ ＿＿］ （１）由于企业级业内常用的方案是用外接ＤＲＡＭ颗 粒来存储ＦＴＬ表项，因此在芯片内部需要额外的ＤＤＲ—一国圈 ＰＨＹ和ＤＤＲ控制器进行适配，开发ＤＤＲ控制器和ＤＤＲ ＰＨＹ的难度相当大，而从ＥＤＡ ｖｅｎｄｏｒ处进行ＩＰ授权的费 用又相当昂贵，因此会增大设计开发成本。 （２）盘片内部空间，如图２所示为标准２．５英寸 ＳＳＤ的印制电路板（ＰＣＢ）示意图。从国内某著名公司生 产的企业级ＳＳＤ盘片剖解可以看出，ＳＳＤ硬盘的ＰＣＢ板 大约８０％的空间是布满了闪存介质颗粒，另外２０％的空 间摆放ＳＳＤ控制器芯片、ＤＲＡＭ颗粒及备电电容等。 （３）企业级ＳＳＤ对于数据可靠性的要求极高，其设计 时必须考虑在各种异常情况下（如异常掉电）能够把控制 器内部的最核心内容一ＦＴＬ表安全可靠地存储到非易失 性介质中。在常规企业级ＳＳＤ控制器芯片架构中，ＤＲＡＭ 内部存储着ＦＴＬ表项，因此在遭遇掉电异常时，需要把 ＤＲＡＭ内部的ＦＴＬ表下刷至ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ中。简而言之， ３０ 够将ＦＴＬ表项的数据以写操作的形式存储到ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ 中。因此在备电设计上，一是需要消耗数量巨大的贴片式 钽电容来提供备电能量，导致ＰＣＢ上的可用空间会进一 步缩小，二是备电涉及到数据的异常处理流程，会提高硬 件以及固件设计的复杂度。 ２ 磁旋存储芯片（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）的特点 在众多新型非易失性存储介质中，磁旋存储芯片 （ＳＴＴ・ＭＲＡＭ）能够良好地与ＣＭＯＳ半导体工艺相兼容，利 用较少的金属层即可以做到存储单元的高密度集成。同 时由于其接近于静态随机存储器（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ，ＳＲＡＭ）的读写速度，极低的静态和动态功耗，具 备掉电不易失的特性，接近于无限的擦写次数，高温下长 时间的数据保持能力以及抗强磁场辐射等特性，是作为企 业级ＳＳＤ控制器中数据缓存和ＦＴＬ表项存储的天生优良 介质…。 当前，众多半导体设计大厂都将ＭＲＡＭ芯片作为下 一代非易失性存储介质的研发重点，除了台积电、三星和 东芝一直在持续推进ＳＴＴ—ＭＲＡＭ的研发之外，美国的 ＥＶＥＲＳＰＩＮ公司已经发布了２５６ ＭＢ的量产测试芯片。随 着工艺的进步和良率的提升，ＳＴＴ—ＭＲＡＭ在存储细分领域 中的应用将会越来越广泛 。 将嵌入式ＳＴＴ—ＭＲＡＭ应用在ＳＳＤ控制器芯片架构 设计中，充分利用其掉电不易失数据的特性，能够节省大 量的备电设计和备电流程，极大地简化ＳＳＤ的控制器架 构设计。另外，由于节省了贴片式钽电容，在ＰＣＢ板上能 够留取更大的空间来支撑更多的ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ颗粒的放 置，达成更大的容量。除此之外，简化了控制器芯片内部 的ＤＤＲ接口相关ＩＰ设计，利用嵌入式ＳＴＴ—ＭＲＡＭ的内部 总线接口（ＳＲＡＭ－ｌｉｋｅ），既简化了设计难度又能够减少板 上走线的信号延时，避免对接口高速信号的影响。 ３基于嵌入式磁旋存储的ＳＳＤ控制器架构方案 图３为应用嵌入式ＳＴＴ—ＭＲＡＭ之后的ＳＳＤ控制器芯 片架构示意图。 本方案的技术特征在于： （１）移除ＳＳＤ控制器芯片内部的ＤＤＲ控制器和ＤＤＲ ＰＨＹ，直接以类ＳＲＡＭ（ＳＲＡＭ—ｌｉｋｅ）的接口形式将嵌入式 《微型机与应用＞＞２０１７年第３６卷第ｌ期 Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 以安全地进行存储，因此系统备 意外掉电 当Ｊ ＩｎｔｅｒｆａｃｅＰｒｏ【０ｃ。１ ｌ ＭＲＡＭ ｓ１Ｔ— ｌ Ｓｙｓｔｅｍ ● 电流程将会被极大地简化。盘片 内部用来做备电的钽电容也能够 去除，节省盘片内部的硬件设计 成本。根据一款９００ ＧＢ的ＳＡＳ 系统检测到掉电事件 电供电通路开启 ｌ ｌ ＮＡＮＤＦｌａｓｈ Ｉ／Ｆ Ｉ 接口的企业级ＳＳＤ盘片的解剖分 图３基于嵌入式ｓＴＴ—ＭＲＡＭ的ＳＳＤ控制器芯片架构图 析可以看到，为了满足备电需 求，盘片ＰＣＢ上一共放置了共 结束备电过程 ＳＴＴ—ＭＲＡＭ集成在控制器芯片内部。 ＳＲＡＭ—ｌｉｋｅ的总线接口信号包括片选ＣＳ、写使能 ＷＥ、读使能ＲＥ、输出使能信号ＯＥ、复位ＲＳＴ、时钟ＣＬＫ、 地址线Ａ［３１：０］、数据输入线ＤＩＮ［３１：０］及数据输出线 ＤＯＵＴ［３１：０］。采用内部总线接口与控制器内部模块进 行交互，能够极大地减少信号线传输延时以及外部接口协 议带来的额外开销，进一步提升控制器的性能。 （２）ＳＴＴ—ＭＲＡＭ的主要作用在于：接收前端主机接口 下发的数据，作为与后端Ｆｌａｓｈ接口的数据缓存；存储闪 存地址转换层表项；存储元数据，如有效页个数、坏块管理 ４００多个钽电容。如果采用本架图４ ＳＳＤ异常掉电流程图 构方案，能够将这些额外的钽电容全部移除，一方面节省 了硬件元器件成本，另一方面利用钽电容移除的ＰＣＢ面 积来贴ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ颗粒，至少能够使ＳＳＤ盘容量提升 ２０％。 ４ 结论 本文提出的基于嵌入式ＳＴＴ．ＭＲＡＭ的固态硬盘控制 器架构，能够极大地简化控制器内关于ＦＴＬ表项的备电 流程，简化盘片内的ＰＣＢ设计难度和成本，在提升ＳＳＤ读 写性能的同时能够有效支撑ＳＳＤ做到更大的容量。随着 信息、固件、启动代码、稀疏校验矩阵等。 （３）备电流程的简化。在传统的ＳＳＤ控制器芯片架 构中，由于数据以及ＦＴＬ表项都是存储在ＤＲＡＭ中，而 ＤＲＡＭ具有掉电易失数据的特性，因此为保证数据可靠 性，在遭遇到异常掉电的情形下，传统控制器芯片需要在 板上备电电容的电量支撑下，主动发起Ｆｌａｓｈ的写操作， ＳＴＴ－ＭＲＡＭ的工艺技术进步和良率的提升，磁旋存储芯片 必将在更多的存储细分领域中得到广泛的应用。 参考文献 ［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，ａｒｃｈｉｔｅｃ－ ｔｕｒｅ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１４． （收稿日期：２０１６－０８—０３） 作者简介： 李炜（１９８１一），男，硕士，工程师，主要研究方向：ＳｏＣ芯片 设计，磁旋存储芯片设计与应用。 将需要保存的重要信息全部下刷到非易失的闪存中，当下 一次上电后，控制器需要发起读操作再将ＦＴＬ表项等数 据重新读取到ＤＲＡＭ中，完成系统的初始化。图４为ＳＳＤ 异常掉电流程图。 在本架构方案中，由于嵌入式ＳＴＴ—ＭＲＡＭ的掉电非 易失特性，在遭遇到掉电异常时，数据和ＦＴＬ表项依然可 （上接第２４页） 模块中稳定运行了一年多，充分表明操作系统移植是很成 ［２］Ｍｅｎｔｏｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ，Ｉｎｃ．．Ｎｕｃｌｅｕｓ Ｋｅｒｎｅｌ Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．２０１３． ［３］ＣＥＶＡ，ＩＮＣ．．ＣＥＶＡ—Ｘ１６４３ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｚ］． ２Ｏ１２． 功的。因操作系统移植是基于ＬＴＥ２３０芯片的Ｘ１６４３进 行的，故在移植过程中需对Ｘ１６４３内核寄存器有深刻的 理解，用汇编语言完成板级初始化及任务调度和中断处理 ［４］ＣＥＡＶ，ＩＮＣ．．ＳｍａｒｔＮｅｏｄｅ ＳＤＴ Ｕｓｅｒｓ Ｇｕｉｄｅｓ Ｖ９．２［Ｚ］．２０１１． （收稿Ｅｔ期：２０１６—０９．３０） 作者简介： 时对内核寄存器的保存和恢复等操作，这是针对一款新的 处理器进行操作系统移植的重点和难点。本文论述的方 法对其他嵌入式实时操作系统在ＣＥＶＡ系列ＤＳＰ核上进 行移植也有重要的参考意义。 参考文献 ［１］周春良，张峰，程伦，等．ＬＴＥ２３０无线通信基带芯片的设计 与应用［Ｊ］．电子技术应用，２０１５，４１（１２）：４８—５０ 周春良（１９７７一），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：通 信芯片与系统实现。 樊文杰（１９８２一），男，本科，工程师，主要研究方向：无线通 信算法与芯片设计。 王连成（１９６８一），男，硕士，工程师，主要研究方向：集成电 路设计。 《微型机与应用））２０１７年第３６卷第１期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ３１
