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Besondere Herausforderungen gemeistert

Booten von der SSD

15. Dezember 2020, 06:00 Uhr   |  Manne Kreuzer

Booten von der SSD
© Silicon Motion

Silicon Motion hat die FerriSSD für Embedded-Anwendungen konzipiert.

Embedded Systeme stellen an ein boot-fähiges Solid State Drive (SSD) besonders hohe Anforderungen. Silicon Motion will mit der Produktfamilie FerriSSD entsprechend darauf reagieren.

SSDs für Bootloader in Embedded-Anwendungen zeichnen sich durch eine niedrige bis mittlere Speicherdichte und hohe Ansprüche an die Datenintegrität in verschiedenen Betriebstemperaturumgebungen aus. Bei SSD-Bootloadern ist die Toleranz für Datenfehler ausgesprochen niedrig, da sie Betriebssystem beziehungsweise Software ohne Unterbrechungen oder Fehler laden und ausführen müssen. Im Vergleich dazu sind SSDs für den Massenmarkt gewöhnlich für den preissensitiven Consumer-Bereich ausgelegt, zum Beispiel in Audio-/Video-Anwendungen für Consumergeräte, bei denen eine gewisse Anzahl von Datenfehlern toleriert werden kann.

Um die kompromisslosen Vorgaben zur Leistung der SSD beim Bootvorgang zu erfüllen, enthält die FerriSSD-Familie vier Technologien, die die Datenintegrität, die Langlebigkeit und das Preis/Leistungsverhältnis von SSD-Bootloadern verbessern:

  • Ende-zu-Ende-Schutz des Datenpfads
  • NANDXtend
  • IntelligentScan & DataRefresh
  • Hybrid Zone

Herkömmliche SSDs können Schaltungen zur Fehlererkennung und Korrektur an den äußersten Enden des Datenpfads enthalten, und zwar in den Schnittstellen zum Frontend-Host und zum Backend-NAND. So wird eine gefährliche Lücke bei den internen Transferpuffern aus SRAM beziehungsweise DRAM und auf anderen Signalwegen geschlossen. Datenfehler die zwischen NAND-Schnittstelle und Host auftreten, zum Beispiel Bits mit Soft-Errors, sind häufig nur schwierig zu erkennen und zu reproduzieren. Während herkömmliche SSDs mit internen Schaltungen für ein gewisses Maß an Fehlererkennung ausgestattet sein können, enthalten die FerriSSDs Engines zur Fehlerkorrektur für eine verbesserte Datenintegrität auf dem gesamten Pfad vom Host zum NAND und zurück.

Der Algorithmus zur Datenkorrektur der FerriSSD erkennt wirksam alle Fehler auf dem SSD-Datenpfad, einschließlich Hardwarefehlern (ASIC), Firmwarefehlern und Speicherfehlern im SRAM, DRAM oder NAND. Die FerriSSD der neusten Generation implementieren ein redundantes Backup – SMI Ferri Group Page Raid – um die Wahrscheinlichkeit nicht korrigierbarer Fehler weiter zu senken.

Falls die FerriSSD einen Fehler erkennt, der nicht korrigiert werden kann, sendet sie dem Host ein Fehler-Flag, damit dieser entsprechend reagieren kann. Im Gegensatz hierzu geben herkömmliche SSDs fehlerhafte Daten ohne Fehler-Flag an den Host weiter und verschärfen so das ursprüngliche Problem, indem Sie den Host nicht auf die Notwendigkeit einer Fehlerbehandlung hinweisen.

Konventionelle SSDs setzen BCH- und RS-ECC-Engines ein, um Fehler zu erkennen und eine Korrektur auf der ersten Ebene mit NAND-Shift-Read-Retries einzuleiten. Zusätzlich zu dieser Fehlerkorrektur auf der ersten Ebene arbeiten FerriSSDs mit einer effizienten Korrektur auf der zweiten Ebene mit Hilfe eines LDPC-Codes (Low-Density Parity Check) und eines Group-Page-RAID-Algorithmus (effizientes redundantes Backup). Die Kombination aus Ferri Group Page RAID und der SMI-LDPC-ECC-Engine der vierten Generation führt nach Ansicht von Silicon Motion zu einer wesentlich besseren Datenintegrität bei schnellerem Durchsatz gegenüber den Lösungen der Mitbewerber.

NAND-Speicherzellen altern mit der steigenden Anzahl der Programmier- und Löschzyklen (P/E-Zyklen). Das erhöht die Wahrscheinlichkeit und die Menge von rohen fehlerhaften Bits. Der Group-Page-RAID-Algorithmus von Silicon Motion, der durch Ferri NANDXtend implementiert wird, korrigiert größere 16-KB-Code-Word-Unit-Fehler als kritische zweite Schutzebene im Vergleich zu den 1-KB-Code-Word-Unit-ECC-Engines in konventionellen SSDs.

Der mit NANDXtend implementierte spezifische Group-Page-RAID-Algorithmus eignet sich besonders für SSD-Laufwerke niedriger und mittlerer Dichte, wie sie gewöhnlich in Bootloader-Anwendungen eingesetzt werden. Das erhöht nicht nur die Lebensdauer der SSD, sondern verringert auch erheblich den dPPM-Wert (defective Parts Per Million) während der Betriebszeit.

Einer der wichtigsten Einflüsse, die die Datenerhaltung beeinträchtigen, ist eine höhere Temperatur des NAND. Die FerriSSD enthält einen zum Patent angemeldeten Überwachungsalgorithmus, der die kumulierten Temperaturwerte der Sperrschicht, die Anzahl der P/E-Zyklen, die Einschaltzeit der SSD und andere wesentliche Referenzpunkte protokolliert, um den Daten-Refresh der NAND-Zellen dynamisch zu priorisieren. IntelligentScan und DataRefresh wirken zusammen, um die Datenerhaltung zu erhöhen, bevor die Daten nicht mehr lesbar sind.

Eine übermäßig hohe Anzahl von Lesezyklen bei einer bestimmten Zelle kann ebenfalls zu einer unbeabsichtigten Überladung benachbarter Zellen und dadurch zu nicht mehr korrigierbaren Bitfehlern führen. FerriSSDs vermeiden mögliche Lesefehler wegen Lesestörungen durch regelmäßige Ausführung der Funktionen IntelligentScan und DataRefresh an NAND-Blöcken, die wiederholt gelesen werden.

Bei herkömmlichen SSDs werden die Onboard-NAND-Dies als SLC (Single Layer Cells), MLC (Multi Layer Cells) oder als die neuen 3D-TLC (Triple Layer Cells) ausgelegt. Die Auswahl von SLC, MLC oder TLC erfolgt im Hinblick auf den bestmöglichen Kompromiss zwischen Speicherdichte und Latenz beim Zugriff auf den jeweiligen Zellentyp. FerriSSD bietet mit Hybrid-Zone, die Möglichkeit, ein NAND-Die in verschiedene SLC- und MLC/TLC-Bereiche aufzuteilen.

Diese Hybrid-Zone-Funktion - das Partitionieren eines einzelnen Laufwerks - ist bei SSDs mit niedriger bis mittlerer Dichte besonders sinnvoll. Die SSD mit nur einem NAND-Die kann weiterhin SLC-Speicher mit hoher Schreibgeschwindigkeit enthalten, ohne auf die Vorteile bei der Dichte von MLC/TLC zu verzichten. Diese Konfiguration ist ideal bei einem plötzlichen Ausfall der Spannungsversorgung. Ohne einen als SLC ausgeführten Teil des Speichers würden Kosten und Größe der Batterie für den Fall eines Spannungsausfalls an MLC/TLC ansteigen.Die Implementierung von SLC-Speicher ist ideal für eine hohe Zuverlässigkeit und einen schnellen Zugriff – indem zum Beispiel SLC dem Bootcode zugewiesen wird – während gleichzeitig ein Teil des NAND-Die als MLC/TLC mit höherer Dichte genutzt werden kann.

Bei Bootloader-SSDs für Embedded-Anwendungen gilt eine Reihe besonderer Anforderungen. Neben der generellen Notwendigkeit, die Kosten niedrig zu halten, müssen Bootloader-SSDs eine besonders hohe Datenintegrität bieten und dies sogar an abgelegenen Orten und bei den ungünstigen Bedingungen, unter denen sie häufig eingesetzt werden. Die Ingenieure von Silicon Motion haben Techniken entwickelt, die die Lebensdauer, Datenintegrität und das Preis/Leistungsverhältnis ihrer FerriSSD-Familie verbessern.

Die Firmware der FerriSSD steuert automatisch die DataRefresh-Zyklen und die Verarbeitungszeit, um Datenverluste durch thermische Auswirkungen und Lesestörungen zu minimieren.
© Silicon Motion

Die Firmware der FerriSSD steuert automatisch die DataRefresh-Zyklen und die Verarbeitungszeit, um Datenverluste durch thermische Auswirkungen und Lesestörungen zu minimieren.

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