基于双层单元的固态硬盘：满足高耐用性方面的需求SSDS002 - Intel

基于双层单元的固态硬盘:满足高耐用性 

方面的需求 

Robert Frickey,英特尔系统产品开发经理 

James Myers,英特尔应用工程经理 

SSDS002

2 

议程 

• SSD 在数据中心内的应用 

• MLC 耐用性受哪些因素的限制? 

• 面向数据中心的 MLC SSD:高耐用性技术 

如欲获得此课程演示的 PDF 文件,请在会议结束时访问技术课程目录,网址为: 

intel.com/go/idfsessions 

URL 位于《随身指南》的“课程议程”页面顶端

3 

数据中心内的 

固态硬盘

4 

SSD 当前在数据中心内所占的比例? 

96.4% 

• 资料来源:http://searchstorage.techtarget.com/feature/SSD-adoption-slow-despite-rising-enterprise-solid-state-drive-shipment 

SSD 

HDD

5 

IT 经理持怀疑态度 

• SSD 可能会磨损… 它们真的很耐用吗? 

• 额外的 IOP 是否能给我的配置带来帮助? 

• 如何集成并管理 SSD 层? 

• 是否能够带来切实的 TCO 优势? 

SSD 

† 

†资料来源:http://searchstorage.techtarget.com/feature/SSD-adoption-slow-despite-rising-enterprise-solid-state-drive-shipment

6 

SSD 的使用率正在增加吗? 

资料来源:http://searchstorage.techtarget.com/feature/SSD-adoption-slow-despite-rising-enterprise-solid-state-drive-shipment

7 

SSD 的使用率正在增加! 

• 特定应用服务器 

• 已知的使用模式,大多为读取 

• 通过了耐用性方面的试点运行 


8 

SSD 的使用率正在增加! 

• 特定应用服务器 

• 已知的使用模式,大多为读取 

• 通过了耐用性方面的试点运行 


9 

如何发现下一个最佳应用领域? 

Endurance 

Reliability 

$/IOP 

$/GB

10 

如何发现下一个最佳应用领域? 

 

 

MLC 

$/IOP 

$/GB

11 

MLC 耐用性受哪些因素的限制? 

• SSD 耐用性 

• MLC NAND 概述 

• 耐用性限制因素 

• 保持限制因素 

• 其它 NAND“特性”

12 

回顾:SSD 耐用性 

• SSD 耐用性是指在能将数据保持一定时间的前提下承受重复写入数据的 

能力 

• 由于 NAND 闪存的耐久性有限,因此 SSD 耐用性也是有限的 

• NAND 耐用性以写入/擦除循环数来衡量 

– 一个 P/E 循环是指向闪存写入数据,然后在写入新数据之前将数据擦除 

• SSD 采用内部管理算法,除主机写入的数据外,这还会导致除主机写入 

数据外的额外的 NAND 写入操作 

SSD 耐用性以主机写入 TB(TBW)来衡量

13 

回顾:写入放大系数 

• 写入放大系数(WAF)= 写入至 NAND 的数据量除以主机写入的数据量 

• 写入放大高度依赖于用户工作负载和固件算法 

• 过量冗余允许用户牺牲一定的容量来减少写入放大 

• 通过测试工作负载并计算写入放大可以可明确耐用性方面的要求 

– 英特尔® SSD 支持通过新的 SMART 属性(E2h, E3h, E4h)来帮助测量耐用性 

最大程度地减少写入放大有助于增加 SSD 耐用性 

注:请参考 SSDS001 和 SSDL001,了解优化英特尔 SSD 的性能和耐用性方面的更多详情

14 

多级单元 NAND 基本原理 

SLC:1 bit/单元 

第 0 级 = 空 

第 1 级 = 有数据 

MLC:2 bits/单元 

第 0 级 = 空 

第 1 级 = 写至 vt1 



• 只要分布不跨越读点,便能正确读出页面 

 

1 0 

L0 L1 V T 

R1 R2 R3 

11 01 00 

10 

L0 L1 L2 L3 

• V T 分布驼峰(hump)之间的空白区域是可用的读取裕量(read margin) 

• 最大耐用性和保留上必须要具备裕量,以确保产品的可靠性 

V T

15 

NAND 写和隧道氧化层退化 

N + 

 

 

N + N + N + 

• 循环是具备一个大型电场(每平方厘米超过 1 千万伏特)的重压负载 

• 大型电场可打破隧道氧化层中的原子键(atomic bond) 

• 被打破的键址(bond site)可以限制通过的电子 

隧道氧化物退化是耐用性有限的主要原因

16 

NAND 写和隧道氧化层退化 

N + 

N + 

• 循环导致通道氧化层中的负电荷堆积 

• 电荷堆积会抵消部分控制栅极电压, 

从而增加 VT • 更高的 VT 会降低擦除速度并加快写 

入速度 

• 当一个区块的擦除速度慢于数据规范时,便认为它已经失效并不再 

使用 

• NAND 数据规范允许最多 2 – 4% 的区块失效 

由于隧道氧化层退化限制 NAND 的耐用性, 

因此无法进行擦除

17 

循环与写精度 

• 随着擦写循环的继续,NAND 的 

写入写和抑制变得更加不稳定 

• L0 单元可能获得电荷(写干扰) 

• 不稳定的写和验证可能会导致数 

据识别错误 

• 因此,对于更高的循环数量来 

说,原始(初始)误码率更高 

原始误码率超过 ECC 校正功率也会限制耐用性 

图表来源:Mielke, N. 等,“NAND 闪存中的误码率”IEEE 国际可靠性物理学座谈会,2008 年

18 

循环与写精度 

• 随着擦写循环的继续,NAND 的 

写入写和抑制变得更加不稳定 

• L0 单元可能获得电荷(写干扰) 

• 不稳定的写和验证可能会导致数 

据识别错误 

• 因此,对于更高的循环数量来 

说,原始(初始)误码率更高 

原始误码率超过 ECC 校正功率也会限制耐用性 

图表来源:Mielke, N. 等,“NAND 闪存中的误码率”IEEE 国际可靠性物理学座谈会,2008 年

19 

摆脱限制和数据保留 

• 困在隧道氧化层中的电荷可能会 

摆脱限制,从而降低单元 V T 

• 这一现象通常被称为“内部电荷 

损失(ICL)” 

• 脱陷率符合 Arrhenius 等式 

K = Ae -Ea/RT 

• 温度会使 ICL 加速 

循环数量、循环速度和存储温度都会影响数据保留

20 







K = Ae -Ea/RT 



21 







K = Ae -Ea/RT 



22 

应力导致的漏电流(SILC) 

• 电子还可通过隧道氧化层的被打 

破的键脱离悬浮栅极 

• 更多的循环 → 更多被打破的键 

→ 更多的泄漏 

• 与所有隧道类似,SILC 受电场 

(而非温度)驱使 

SILC 和 ICL 随着循环的增多而恶化, 

从而进一步限制数据保留

23 










24 










25 










26 

读取干扰 

• 超过最大写 V T 的电压必须应用于未选择的字 

线(wordline) 

• 较高的 Vpass 可能导致 SILC 反向,电子从通 

道向悬浮栅极进行隧穿 

• 重复读取最终导致单元 V T 增加 

• 由于隧道氧化层降解(退化)造成最糟糕的 

后循环结果 

英特尔® SSD 可确保 

在读取干扰对数据造成损坏前刷新数据

27 

Gross 问题 — Shorts / Opens 

两个外围金属线之间的 Short 

• 由于 NAND 闪存中如此大的电场,未 

在工厂中被检出的的缺陷可能最终导致 

gross 故障 

• ECC 对此没有帮助,这是因为整个字线 

会被一起短路 

• 屏蔽(筛拣出)所有缺陷是不可能的, 

因为 NAND 缺陷可能只在日后表现出来 

与所有半导体类似, 

NAND 同样具备不可恢复的缺陷

28 

阵列固有问题回顾 

可靠性问题机制 

基本耐用性: 

坏块 

限制 

写入位错误写干扰和过度写 

数据保留 

和读取干扰 

脱陷 

SILC(保留和 

读取干扰) 

Gross 错误缺陷和 short 

NAND 内部构造 

 

所有机制都必须稳妥处理

29 

面向数据中心的 MLC SSD:高耐用性技术(HET) 

• 什么是高耐用性技术? 

• 系统支持 

• 优质 MLC NAND 

• 经过考验的可靠性

30 

冗余性可防止 NAND 缺陷 

NAND 

A 

0110 

奇偶校验码 = 1001 

NAND 

B 

NAND 

C 

NAND 

D 

NAND 

E 

NAND 

F 

• 当用户数据写入 NAND 时,系统将计算奇偶校验码,并最终写入到 

NAND 

• 如果发生灾难性故障,ECC 不能从发生故障的芯片上恢复数据 

• 可以通过其它芯片的奇偶校验码来重新计算数据 

英特尔® SSD 320 系列 

通过冗余性来减轻 NAND 缺陷的影响

31 


NAND 

A 

NAND 

B 

0110 0111 

奇偶校验码 = 1001 

NAND 

C 

NAND 

D 

NAND 

E 

NAND 

F 


NAND 





32 


NAND 

A 

NAND 

B 

NAND 

C 

0110 0111 0100 

奇偶校验码 = 1101 

NAND 

D 

NAND 

E 

NAND 

F 


NAND 





33 


NAND 

A 

NAND 

B 

NAND 

C 

NAND 

D 

0110 0111 0100 1101 

奇偶校验码 = 1000 

NAND 

E 

NAND 

F 


NAND 





34 


NAND 

A 

NAND 

B 

NAND 

C 

NAND 

D 

NAND 

E 

0110 0111 0100 1101 1001 

奇偶校验码 = 0001 

NAND 

F 


NAND 





35 


NAND 

A 

NAND 

B 

NAND 

C 

NAND 

D 

NAND 

E 

NAND 

F 

0110 0111 0100 ? 1001 0001 


NAND 





36 


NAND 

A 

NAND 

B 

NAND 

C 

NAND 

D 

NAND 

E 

NAND 

F 

0110 0111 0100 1101 1001 0001 


NAND 





37 

系统支持 — 读取重试 

• MLC 数据分布可能会超过参考电 

压,从而导致读取错误 

• 只要分布不重叠,就应该能够恢 

复数据 

• 读取重试将改变参考,直到发现 

一个通过的读取点 

读取重试可扩展耐用性

38 





复数据 




39 





复数据 




40 

系统支持 — 背景数据刷新(BDR) 

• 在不上电情况下可确保数据保留 

• 正常使用 SSD 时,某些静态数 

据可得到刷新,但是这一点不能 

保证 

• BDR 确保闲置时间过长的静态数 

据定期得到刷新 

背景刷新支持断电数据保留

41 





保证 




42 





保证 




43 

优质 NAND — 流程改进 

 

SPLIT 

 

 

 

并不是所有 IMFT 25nm 闪存都相同 

• 为了扩展原始 NAND 耐 

用性/保留,需要对流程 

进行优化 

• 此处的示例为针对不同 

循环数量和流程参数所 

测量的数据保留

44 

优质 NAND — 可靠性分类 

• 根据可靠性和耐用性在晶圆测试 

和封装测试时分拣芯片 

• 此处的示例为基于程序(写)状 

态之间的间隙的晶圆集成 

• 耐用性集成(分类)通过循环监 

控在单元测试时完成 

全面的测试可确保 NAND 具备最高的耐用性

45 

优质 Nand — 优化的程序放置 

• 高耐用性技术(HET)具有更 

紧密的数据分布 

• 可针对额外的裕量编制预算, 

以便获得进一步的循环和数据 

保留能力 

• 需要确保性能与耐用性之间的 

平衡 

R1 R2 R3 

11 01 00 

R1 R2 R3 

11 01 00 

更紧密的写可提高耐用性 

MLC 

HET 

10 

10 

V T 

V T

46 

HET 与 MLC — 总体结果 

资料来源:英特尔公司 

4.4x 

P/E 

38 

38x 

高耐用性技术在原始误码率方面展现出明显的优势

47 

JEDEC 耐用性验证 

应用类别工作负载(请参 

阅 JESD-219) 

客户机客户机 

企业企业 

主动使用 

(通电) 

40℃ 

8 小时/天 

55℃ 

24 小时/天 

• 服务器应用通常处于启动(上电)状态 

• 数据保留在断电的情况下测量 

保留使用 

(断电) 

30℃ 

1 年 

40℃ 

3 个月 

功能故障要求 

(FFR) 

• 要对更短的数据保留要求做出取舍,以便提高耐用性 

资料来源:JEDEC JESD 218 规格 

UBER 要求 

≤ 3% ≤ 10 -15 

≤ 3% ≤ 10 -16

48 

Lyndonville — 耐用性能力 

容量 4K 随机写入 

4K 随机写入 

(20% 过度分配) 



(20% 过度分配) 

100 GB 0.5 PB 0.9 PB 0.9 PB 2.0 PB 

200 GB 1.0 PB 1.5 PB 1.0 PB 1.9 PB 

300 GB 1.1 PB 1.5 PB 1.8 PB 3.0 PB 

• Lyndonville 的耐用性超过正常 RDT 可测量的范围 

• 开发缩小容量的固件,以便仅在一小部分可用块上使用 

• 硬盘在正常情况下使用,以确保在较短的时间内在这些块上实现较多 

的 P/E 循环 

资料来源:英特尔公司

49 

Lyndonville — 可靠性结果 

RDT 

RDT 

 

1005 305 

3 1 

AFR 0.20% 0.11% 

2 

资料来源:英特尔公司 

相当于 1.5 PB 的数据写入的出色耐用性, 

平均故障间隔时间超过 2 百万个小时

50 

总结 

• 数据中心对 SSD 的需求逐渐增加,耐用性要求超过正常 

的 MLC 能力 

• NAND 的固有属性会限制耐用性和数据保持能力 

• 高耐用性技术(HET)通过不同的特性来延长 MLC SSD 

的使用寿命 

• JESD218 标准确定了验证耐用性的方法 

Lyndonville 能够满足 

数据中心在成本与耐用性方面的要求

51 

行动号召 

打消疑虑,寻求了解 

• 了解 NAND 和 SSD 技术能力 

• 针对部分应用进行试验,以验证性能优势和 SSD 的耐用性 

在下一代数据中心的理想领域部署 SSD 

• 继续在可提供优势的领域使用具备标准耐用性的 SSD(具体 

应用/读取密集型) 

• 通过支持 HET 的 SSD 扩展数据中心内的应用范围 

• 在“云计算”中扩展 SSD 的使用

52 

法律声明 

• 本文所提供之信息均与英特尔产品相关。本文不代表英特尔公司或其它机构向任何人明确或隐含地授予任何知识产权。 

除相关产品的英特尔销售条款与条件中列明之担保条件以外,英特尔公司不对销售和/或使用英特尔产品做出任何其它明 

确或隐含的担保,包括对适用于特定用途、适销性,或不侵犯任何专利、版权或其它知识产权的担保。 

• 除非经英特尔书面同意,英特尔产品并非设计或有意用于任何英特尔产品故障可能会引起人身伤亡事故的应用领域。 

• 英特尔可以随时在不发布声明的情况下修改规格和产品说明。设计者不得依赖于带有“保留”或“未定义”的任何特性或说明。英特 

尔保留今后对其定义的权利,对于因今后对其进行修改所产生的冲突或不兼容性概不负责。此处信息可能随时更改,恕不另行通知。 

请勿使用本信息来对某个设计做出最终决定。 

• 文中所述产品可能包含设计缺陷或错误,已在勘误表中注明,这可能会使产品偏离已经发布的技术规范。英特尔提供最新的勘误表 

备索。 

• 订购产品前,请联系您当地的英特尔销售办事处或分销商了解最新技术规范。 

• 如欲获得本文或其它英特尔文献中提及的带订购编号的文档副本,可致电 1-800-548-4725,或访问英特尔网站 http://www.intel. 

com/design/literature.htm 

• 性能测试中使用的软件和工作负载可能仅在英特尔® 微处理器上针对性能进行了优化。SYSmark* 和 MobileMark* 等性能测试使用特定 

的计算机系统、组件、软件、操作和功能进行测量。任何因素的任何变更都可能改变测试结果。您应当参考其它信息和性能测试以帮 

助您完整评估您的采购决策,包括该产品与其它产品一同使用时的性能。 

• 英特尔处理器号不作为衡量性能的标准。处理器号主要区分各处理器家族内部的不同特性,不同处理器家族之间的处理器号不具有 

可比性。请访问:http://www.intel.com/products/processor_number 

• 本演示中的产品计划不构成英特尔产品发展蓝图计划的一部分。请联系您的英特尔代表,了解最新的英特尔产品发展蓝图计划。 

• Lyndonville 和其它特色代码名称为英特尔内部使用,以区分处于开发过程中并未公开发布的产品。英特尔不会授权客户、授权厂商和 

其它第三方使用内部代码名称进行任何产品或服务的宣传、促销或市场推广活动。使用英特尔内部代码名称造成的风险由用户单方面 

承担。 

• 英特尔、英特尔与你共创明天和 Intel 标识是英特尔公司在美国和其他国家(地区)的商标。 

• * 文中涉及的其它名称及商标属于各自所有者资产。 

• 版权所有 2011 英特尔公司。

53 

风险因素 

本文中涉及的第二季度、本年度和未来规划与预期的陈述及其它信息均为前瞻性陈述,包含许多风险和不确定性。诸如预期、“期待”、“意图”、 

“计划”、“相信”、“希望”、“估计”、“可能”、“将”、“应”之类的语词或与之类似的表述均代表前瞻性陈述。提及或基于预测、不确定 

事件或假设的陈述也代表前瞻性陈述。英特尔的实际结果会受到诸多因素的影响,英特尔关于此类因素的当前预期的变化会导致实际结果与这些前瞻 

性陈述有根本性的不同。英特尔目前将以下陈述的因素认为是会导致实际结果与英特尔的预期结果产生根本性不同的重要因素。可能导致需求量与英 

特尔的预期产生差异的因素包括:商业及经济条件的变化,如可能影响到客户的供应限制和其它中断;客户对英特尔及其竞争对手产品的认可度;客 

户订单方式的变动(包括取消订单);客户方库存水平的变动等。因日本最近的地震灾害而导致的高科技供应链的潜在中断可能造成客户需求与英特 

尔的预期产生偏差。英特尔处于竞争激烈的行业,成本份额高且较为固定或很难在短期内降低,定价压力大,以及产品需求变化较大并很难预测。收 

入和毛利润受诸多因素影响:英特尔推出产品的时间安排;英特尔产品的需求量与市场认可度;英特尔竞争对手采取的措施,其中包括产品推出、市 

场推广计划、价格压力,以及英特尔对该举动的反应;英特尔快速应对技术发展,以及为其产品增加新特性的能力。毛利率可能受以下因素的影响, 

与预期结果产生很大差异:收入水平的变化;产品组合与价格;库存评估的变动,其中包括合格待售产品在时间上的变动;库存过多或不足;制造能 

力;单价变动;产能利用率;长期资产的损耗,包括制造、装配/测试和无形资产;工厂生产的时间安排与实施以及相关成本(包括启动成本)等。 

支出,特别是某些市场推广和补偿支出以及重组与资产减损费用,会因英特尔产品的需求等级以及收入和盈利水平不同而有所差异。大部分英特尔非 

上市投资组合余额集中于闪存市场领域的公司,减少在该市场领域中的投资或根据英特尔在该市场领域中的投资更改管理计划均可能导致产生大量减 

损费用、影响重组费用以及投资和利息及其它方面的损益。英特尔的业绩可能会受到英特尔及其客户或供应商所在国家发生经济、社会、政治和自然/基 

础设施条件突变所产生的影响,其中包括:军事冲突和其它安全风险、自然灾害、基础设施毁坏、健康关注,以及外币汇率波动等。英特尔业绩可能 

受并购和拆分交接时间安排的影响。英特尔的业绩可能受到与产品缺陷和纠正(偏离公布的规范)的相关不利因素的影响以及诉讼(涉及知识产权、 

股东、消费者、反垄断和其它问题)的影响,例如在英特尔 SEC 报告中列出的诉讼和管制事件。不利的裁定可能包括货币赔偿或强制阻止我们制造或 

销售一项或多项产品、阻止特定的业务实践、影响英特尔设计产品的能力或要求其它赔偿,如强制要求获得知识产权许可证。英特尔 SEC 报告中包含 

有关这些因素以及其它可能影响英特尔业绩的因素的更多信息,其中包括于 2011 年 4 月 2 日结束的季度 10-Q 报告。 

2011 年 9 月 5 日修订

基于双层单元的固态硬盘：满足高耐用性方面的需求SSDS002 - Intel

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?