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集成式SSD应对车载信息娱乐存储系统设计挑战 |
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| http://cn.newmaker.com
12/8/2009 12:57:00 PM
SST公司 Yuping Chung
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还记得能够播放多张CD唱片的高级汽车娱乐系统是什么时候问世的吗？今天，汽车信息娱乐系统已经成为一个复杂的嵌入式子系统，它包含了MP3音乐回放、GPS导航、语音识别、免提蜂窝连接、DVD视频甚至互联网浏览等多种功能。
随着汽车信息娱乐系统向更宽范围的多媒体应用扩展，其存储子系统扮演的角色也越来越重要。音乐和视频文件必须被存储起来并能被快速访问；用于三维GPS系统的大量地图数据文件必须能被快速搜索和显示；用于语音识别的音频文件必须能被合成和存储。
硬盘驱动器的性价比优势
目前，大多数汽车信息娱乐系统采用硬盘驱动器(HDD)进行数据存储。这些设备一般具有40GB到50GB的容量。作为一种成熟的、经验证的技术，硬盘驱动器具有许多显著的优点。每1GB容量约1个美元的硬盘驱动器为设计师提供了高性价比的解决方案。在那些能够克服硬盘驱动器固有的寻道和旋转延时的应用中(例如大部分读取过程是顺序访问的应用)，硬盘驱动器能够在很短时间内完成大量数据的传送。
可靠性问题
然而，在今天日益复杂的汽车信息娱乐系统中，其它因素在存储子系统的选择中扮演着更重要的角色。在许多应用中，硬盘驱动器上的大容量数据存储几乎不能给汽车信息娱乐系统设计师带来什么好处。大多数系统只需要4GB到8GB的存储器就足以应付今天的多媒体应用需求。而且，汽车业对可靠性有很高的期望，对耐用性也有严格要求，这使得人们对于能够耐受恶劣的冲击、振动、温度和湿度环境的存储器子系统寄予厚望。
在这些趋势下，新一代工业级小型固态驱动器(SSD)为汽车信息娱乐系统的设计师提供了极具吸引力的存储选择。这些新的存储器产品具有集成或分立两种版本。集成式NAND模块，例如SST公司的“工业级”NANDrive产品线，在一个封装中整合了一个集成式ATA控制器和一个或多个NAND闪存裸片。这些器件以紧凑的BGA封装提供完整的集成设备电路(IDE)闪盘驱动功能和兼容性，体积仅为12x18x1.4mm。设计师只需简单地将这个BGA封装安装在系统母板上即可。在启动时，系统通过ATA或IDE接口将NANDrive识别为一个系统驱动器。
作为一个没有机械运动部件、完全基于硅片的存储解决方案，诸如NANDrive这样的小型固态驱动器可以帮助设计师满足汽车业严格的振动和冲击要求。从性能角度看，小型固态驱动器不仅没有了磁盘存储系统必须执行的非常耗时的寻道过程(这个过程平均耗费13ms)，而且能够提供高达30MBps的持续读写性能。SST公司的新一代NANDrive器件已经过工业温度范围的认证，最大可提供8GB的存储容量。
图1：NANDrive方案能够更好地满足当今车载信息娱乐系统的苛刻要求
更小的占位面积
在外形尺寸和性能方面，固态驱动器的主要优势是小尺寸。在过去十多年中，汽车制造商在汽车中引入的电子子系统数量越来越多，缩小电子器件外形的重要性也日益突出。举例而言，今天，平均每辆汽车都集成有30至50个基于微控制器的系统。
虽然硬盘驱动器制造商通过不断努力在缩小产品尺寸方面取得了持续的进步，但目前的驱动器仍需要占用比固态驱动器大多得的空间。例如，标准尺寸的40GB硬盘驱动器尺寸为70x100x9.5mm，而NANDrive尺寸只有12x24x1.4mm，是硬盘驱动器的1/120。其重量减轻的幅度同样令人印象深刻，NANDrive重量是0.8克，还不到硬盘驱动器的1/100。
数据完整性和耐用性是存储子系统最重要的考虑因素。今天的小型固态驱动器具有的众多特性可进一步增强IC的耐用性，并确保数据完整性。例如，为了补偿在使用NAND闪存时偶然会发生的随机读取错误，固态驱动器采用嵌入式误码检测和纠正(ECC)电路进行设计，可确保数据在进出存储器时的准确性。譬如NANDrive就提供有8位硬件ECC引擎。
坏块管理是另外一个挑战。与NOR闪存不同，NAND芯片设计时就允许大量坏块。为了管理这些缺陷，基于固件的坏块管理功能需要在小型固态驱动器初始化时被激活，用于识别这些坏块的位置，然后通过映射将它们剔除出存储器阵列。这个固件随即指示控制器不再使用这些特定的块。当额外的坏块被识别出后，固件将更新映射图以确保它们不会被使用。
写入耐用性是在汽车中使用小型固态驱动器遇到的另一个潜在障碍。闪存IC存在写入耐用性限制问题。在重复多次擦除和写入周期后，存储器将无法保持数据。IC架构越复杂，存储器单元尺寸越小，IC的耐用程度就越低。例如，单层单元(SLC)闪存器件的典型擦写次数规定为10万次，而使用更复杂的多层单元(MLC)架构的器件，比如目前便携式消费设备中经常使用的那些器件，典型擦写次数规定为1万次。
磨损均衡
小型固态存储器制造商降低上述风险的途径之一是在车用固态存储器中只使用SLC闪存。另外，在固态驱动器固件中采用磨损均衡功能也可提高耐用性。正如名字的含义那样，磨损均衡算法将“老化计数器”匹配到闪存介质上的逻辑和物理扇区图，然后以块或页为单位跟踪存储器的使用情况。每次写操作和擦除操作都会使老化计数器加1。这些复杂算法能够自动平衡存储器的使用率，方法是命令控制器将存储器写操作转移到那些低使用率的块上。这种技术能够均衡使用闪存的所有扇区，使它们同时达到写入次数极限，从而使耐用性达到最大。
分立与集成式固态驱动器
认为小型固态驱动器比硬盘驱动器具有更大吸引力的汽车制造商面临着另外一个决策。他们可以购买即插即用的集成式解决方案，或使用ATA闪存控制器搭建自己的分立式小型固态驱动器。
还有许多因素需要考虑。在分立式方案中，汽车制造商或子系统供应商需要从不同供应商处购买控制器和NAND存储器IC，并把这些IC安装在电路板上。每个系统依赖嵌入式闪存文件系统块管理主机和闪存之间的握手机制。
当闪存供应不足时，这种方法可以提供更宽范围的供应商选择和更大的灵活性。然而，它也带来了更复杂的库存管理挑战。另外，随着NAND闪存技术的发展和供应商数量的增加，控制器和存储器之间的兼容性将成为另一个潜在的问题。
集成式解决方案将集成式ATA控制器和一个或多个NAND闪存裸片整合在单个多芯片封装中，并且针对驱动器的存储器IC优化了控制器，因此可以简化采购和设计过程。由于只有一个供应商，这些即插即用解决方案还能简化库存管理过程。此外，他们可以充分利用堆叠式封装技术的优势提供显著的空间节省。使用多个供应商的IC的分立解决方案所占空间有可能达到集成式方案的两倍。
从可靠性角度看，集成式方案也具有优势。例如NANDrive，整个小型固态存储器完全整合在单个封装中。由于电路板上只有一个芯片，因此与分立式方案比起来，集成式固态驱动器具有更少的故障点，因而能更好地满足汽车环境的冲击和振动要求。
本文小结
随着车载信息娱乐系统不断增加令人兴奋的、严苛的新功能，对存储子系统的要求也越来越高。这些存储子系统不仅必须以低成本提供高性能，而且必须确保在严酷环境条件下的数据完整性。通过整合NAND闪存的性能优势，以及经验证的硅片技术的尺寸和可靠性要求，小型固态驱动器能为汽车制造商提供令人激动的、可搭建出更小、更可靠方案的新机遇，这些方案能够更好地满足当今汽车信息娱乐系统的严苛要求。
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