隨著對新特性和功能需求的增加，大容量存儲在嵌入式工業應用中的使用持續增長。雖然通過增加NAND芯片容量使更復雜的GUI和應用成為可能;更快的接口和各種托管NAND解決方案的可用性;尋找能夠應對極端環境需求的足夠固態存儲解決方案的挑戰仍然存在。幸運的是，NAND存儲介質和控制器設計的發展意味著現在可以使用更可靠和更具成本效益的選項。

滿足極端環境的需求

嵌入式設計人員對大容量存儲功能的愿望清單中，高可靠性通常是最重要的。清單上還有對沖擊和振動的高機械抵抗力的需求，這通常排除了使用可移動存儲，轉而使用焊接球柵陣列（BGA）設備。保證在擴展溫度范圍內的工作也可以添加到列表中。此外，理想的解決方案應該長期可用，以防止昂貴且耗時的存儲設備重新認證。

實際使用案例 — 尋找合適的存儲解決方案

在 SSD 中，數據完整性和電源故障數據保護的優勢至關重要，這是一個實際用例，那就是火車制動管理系統的優勢。雖然運輸系統設計人員非常小心地確保穩定的電力供應，但掉電并不是完全可以預防的。如果沒有內置的固有電源故障保護，則存在明顯的數據損壞風險。如果受影響的文件是操作系統或應用程序軟件的一部分，這可能意味著制動管理系統的重大故障。典型的制動管理系統監控關鍵參數，例如總使用小時數、制動效率和溫度，以告知關鍵的維護計劃。記錄此數據期間的故障可能意味著錯過或不必要的停機時間以及增加的維護成本。

為這種類型的嵌入式應用選擇合適的 SSD 至關重要。在許多情況下，單級單元（SLC）NAND存儲器可能是理想的技術，它既提供強大的數據保留能力，又提供高編程和擦除（P/E）周期。但是，這種技術的主要問題是缺乏高容量選項和更高的內存成本。如果我們考慮一種低成本的技術，如平面（2D）多層單元（MLC）NAND，每個單元可容納兩個位，我們會立即獲得更經濟，更高容量的選擇。在大多數情況下，可用的耐久性為 3，000 到 10，000 P/E 周期，這對于許多應用來說已經足夠了。

完美的解決方案？

嗯，不完全是。

平面MLC NAND將其兩位數據存儲在一個存儲單元中。這兩個位位于兩個不同的配對頁面中，這些頁面在不同的階段進行編程。這意味著，如果在寫入一頁時電源出現故障，則配對頁中的數據也可能損壞。主機文件系統可能能夠管理在電源故障時正在寫入的頁面，但在以后嘗試讀取該數據之前，它不會知道損壞的配對頁面。配對頁面的內容將包含不可更正 （UNC） 數據，其中每個單元格的充電狀態不確定，無法解析為 0 或 1。

防止這種情況的傳統解決方案包括將驅動器的電源保留足夠的時間，以允許頁面程序操作完成。這可以通過板載斷電保護電容來實現，為頁面程序時間和一些程序延遲提供足夠的電荷。如果正在使用的驅動器具有 DRAM 緩存，則存儲的能量需要顯著增加，以防止緩存內容丟失。典型的斷電保護（PLP）解決方案可能類似于圖1中的通用示例。

圖1：通用電源保持電路

新型 NAND 技術

內存架構的最新進展使一類新的基于 3D NAND 的固態存儲解決方案成為可能，消除了配對頁面問題。3D NAND 使用垂直堆疊的存儲單元層，可提供與平面 NAND 閃存相同的耐用性，具有更高的成本效益和更快的性能。借助美光的工業級 3D MLC NAND，現在可以一次性完成編程，同時對兩個頁面進行編程。圖2中單程編程的表示顯示了MLC NAND中電池的經典閾值電壓（Vt）分布，以及如何將充電狀態解碼為這些電池的位值。

圖 2：單程編程的表示

上頁和下頁可由NAND閃存控制器在一次操作中編程，因此電池電荷同時移動到兩個頁面所需的水平，從而有效地消除了電源中斷期間配對頁面中數據損壞的可能性。控制器有責任確保塊中的頁面按順序編程，并且下部和上部頁面地址位于共享字行 （WL） 上。

美光的3D NAND+Greenliant的NANDrive解決方案

具有智能控制器，例如Greenliant開發的用于其小型eMMC NANDrive BGA SSD的控制器，以及3D MLC NAND的單程編程功能。制動管理系統設計人員現在可以確保存儲的數據不受突然斷電的影響。

控制器在一個步驟中對所有狀態進行編程，而不會干擾相鄰單元，從而降低驅動器上已有數據（稱為“靜態數據”）的風險。此外，該控制器通過使用美光先進的 3D NAND 功能，有助于最大限度地減少傳輸中或傳輸中的數據損壞（在臨時 DRAM 或 SRAM 緩存緩沖區中）。

如果寫入操作中途電源出現故障，主機通常可以使用日記或其他一些事務故障保護協議來確定最后一個寫入的文件未完成，因此應忽略或替換該文件中的數據。如果應用程序使用小型寫入，則最好是 NAND 頁面的大小。然后，復雜的控制器固件將使用利用3D NAND自動讀取校準的高級算法來嘗試恢復最后一頁，即使在寫入操作期間電源出現故障也是如此。

控制器自適應閾值電壓調諧進一步增強了控制器恢復最后一頁數據的能力。為了保留由于過度 P/E 循環導致的介電泄漏而可能丟失的數據，控制器還可以定期刷新存儲單元中的數據。

通過實施上述所有功能，Greenliant的工業eMMC 5.1 SSD和美光的3D MLC NAND已成功通過廣泛的電源故障測試（數千次電源中斷周期），而不會在制動管理系統中損壞數據。

審核編輯：郭婷