三級單元（TLC）、多級單元（MLC）、單層單元（SLC）、偽單層單元（pSLC）——有許多閃存技術。開發人員需要了解存儲的基本機制和存儲級別的效果，以了解哪些閃存產品最適合特定應用。只有這樣，他們才知道該問供應商什么問題。

應用的不同方面可以決定嵌入式工業系統內存模塊的選擇。這些包括讀寫速度、耐用性（或閃存介質的使用壽命）、保留期（存儲數據的生命周期）、斷電時的數據安全性、耐溫度和抗振性、產品的長期可用性等。NAND芯片的老化是一種特定于閃存的效果，在決策過程中也起著重要作用。

NAND閃存器件的單元只能承受有限數量的塊擦除周期。在分離存儲柵極的氧化層中，具有增加能級的電子（熱電子）在被編程電壓加速后被捕獲。在適當的時候，這會改變閾值電壓，直到電池不再可讀。

閃光老化 – 何時結束？

還有第二種老化效應：通過氧化層形成導電路徑。這導致電池逐漸失去其充電狀態，從而失去存儲的位。

高溫會大大放大這種效應。使用25nm MLC NAND器件的研究表明，在55°C下五年后，保留率下降到約75%。在85°C時 - 相對適度的增加 - 保留率降至10%以下。

此外，隨著時間的流逝，隨著細胞越來越接近其最大程序擦除周期（P / E周期），效果會變得更強。這里對留存率的影響是巨大的。例如，低成本MLC NAND閃存器件的原始保持能力為10年，在達到3，000個P / E周期后可以下降到大約一年。

同樣，低成本TLC NAND閃存芯片的充電狀態和閾值電壓挑戰需要八個不同的可區分的電荷水平，以便每節電池寫入三位。在這些設計中，退行性效應明顯得多，原始的保留時間表在僅500個市盈率周期后從一年退化到三個月。

雖然更昂貴的SLC設備經歷相同的退化，但在這些影響發生之前，必須發生大約100，000個P / E循環。顯著較高的市盈率循環容差是SLC盡管成本較高，但其仍然是工業應用首選閃存技術的重要原因。

成本折衷方案：

引入pSLC工藝是為了平衡成本，并意識到減少不同電荷水平的數量使NAND芯片上的數據存儲更加穩健。與SLC相比，pSLC為每個電池的第一個“強”位使用了更具成本效益的MLC芯片，并取得了一些驚人的結果。pSLC模式明顯快于MLC閃存上的標準過程，并將退化前的P/E循環次數從3，000個增加到20，000個。在相同條件下，數據耐久性提高了 6.7 倍，而每存儲成本僅為每比特成本的兩倍。

耐久性規格注意事項：工作負載是決定性的

開發人員在選擇存儲設備時需要確切地知道制造商的規格代表什么。有兩個測量值特別表明了 SSD 的耐用性：寫入 TB 數 （TBW） 和每天驅動器寫入數 （DWPD）。TBW 表示在設備的生命周期內總共可以寫入的數據量，而 DWPD 表示在保修期內每天可以寫入的最大數據量。

有時復雜的制造商規范的挑戰在于，開發人員無法確定它們是否對所討論的應用程序有任何意義。規格值在很大程度上取決于測試期間的工作負載類型。例如，來自瑞士比特的 480 GB 固態硬盤表現出 1，360 TBW、912 TBW 和 140 TBW 的耐用性，具體取決于測量過程。順序寫入產生的最強值為 1，360 TBW，而“客戶端工作負載”和“企業工作負載”分別占第二和第三個值。客戶端工作負載基于 PC 用戶的行為，主要生成順序數據訪問操作，而企業工作負載模擬多用戶服務器環境的行為，其中 80% 的數據被隨機訪問。

此類耐久性測試基于JEDEC標準化組織制定的指導方針，有助于確保產品和制造商的可比性。但是，工作負載規格通常不包括在數據表中。許多制造商樂于宣傳基于僅在少數應用中使用的順序寫入的驚人耐力值。如上例所示，對于順序寫入和企業工作負載，閃存解決方案的耐久性值很容易相差 10 倍。買家必須謹慎行事。

受壓閃存

記憶細胞的衰老通過擦除加速;但是，需要塊擦除才能寫入。這可能會導致一個欺騙性的結論，即在純讀取應用程序（如引導介質）中，由于數據保留時間延長，因此數據在長期內是安全的。不幸的是，這是一種誤解。還有其他情況會導致讀取錯誤，并間接導致NAND單元的磨損。

在每個寫入過程中，與被編程單元相鄰的細胞都會受到壓力。這些顯示電壓略微增加，稱為“程序干擾”。閱讀也會引起壓力“閱讀干擾”，其中相鄰頁面收集電壓。隨著時間的推移，這些細胞中儲存的電位增加。這會導致讀取錯誤，在刪除塊后，讀取錯誤會再次消失。由于電壓較低，讀取的效果比寫入的效果弱，但仍然會發生位錯誤。這些在糾錯碼（ECC）中通過刪除塊進行補償。

但是，開發人員仍然必須考慮，在重復讀取相同數據的應用程序中，這種影響特別大，這意味著即使在僅用于讀取的內存介質中，也必須刪除塊并定期寫入頁面作為糾錯的一部分。因此，這種中等年齡也一樣。

內部問題

這種中等老化會導致閃存設備的“內部問題”。擦除、寫入和讀取不僅由實際應用觸發，還由眾多控制器和固件進程觸發。這里發生的事情往往被忽視，但會再次影響性能和耐力等性能因素。

除了糾錯之外，這些內部機制中的另一種是磨損均衡。當一個單元發生故障時，必須將整個塊標記為“壞塊”。出于耐力目的，如果可能的話，推遲這種失敗是很重要的。這可以使用磨損均衡來實現，磨損均衡是使用物理內存地址時的均勻分布。另一種內部機制是垃圾回收，即重新復制以釋放塊。

這些過程補充了使數據存儲首先成為可能的機制：邏輯地址和物理地址之間的映射。閃存介質控制器的效率是通過來自主機的用戶數據與寫入閃存的實際數據值之間的比率來衡量的。這是使用寫入放大因子 （WAF） 表示的。

減少 WAF 是延長耐久性的關鍵之一。存在影響 WAF 的工作負載因素，例如順序訪問和隨機訪問之間的差異、數據塊相對于頁面的大小以及塊本身的大小。因此，固件還決定了閃存介質是否適合某個應用。

制造商如何提高效率

為了更好地理解，接下來是關于閃存工作原理的另一個討論。必須連續對單元格塊的頁面進行編程，但只能刪除完整的塊。在標準流程中，邏輯地址和物理地址之間的映射是指塊。這對于順序數據非常有效，因為塊的頁面是連續寫入的。連續收集的視頻數據是應用實例的一個例子，其中基于塊的分配是理想的。

對于隨機數據，這是不同的。在這里，頁面寫在許多不同的塊中。這意味著對于每次內部重新編程，每頁必須刪除一個完整的塊。因此，WAF 很高，并且耐久性降低。因此，基于頁面的映射更適合于非順序數據。在這里，固件確保不同來源的數據按順序保存在一個塊的頁面上。這減少了刪除次數 - 對耐用性有積極影響 - 并且寫入性能提高。但是，基于頁面的映射會增加閃存轉換層 （FTL） 的分配表。制造商通過集成的 DRAM 對此進行了補償。因此，基于頁面的映射的好處并非徒勞無功。

豐富的超額配置作為質量功能

如果數據介質的利用率迫使 WAF 上升，則基于頁面的映射也是有益的。閃存介質上存儲的數據越多，固件必須來回移動的位就越多。制造商能夠通過簡單的過度配置來防止數據介質過載的問題。這是指僅保留用于內部活動的閃存區域。傳統上，這是總面積的7%，根據千兆字節規格，這是十進制值和二進制值之間的差異。

如果為過度配置保留了 12% 而不是 7%，則會產生令人驚訝的效果。對于具有相同硬件的兩個 SSD 的耐久性比較（企業工作負載的 TBW），240 GB Swissbit 型號 X-60 durabit（保留 12% 的面積用于超額配置）實現的值幾乎是 256 GB 機型的兩倍。然后，如果看一下DRAM對耐用性的影響，240 GB硬腦膜版本的差異比256 GB的標準版本高出10倍（注意：正如使用MLC作為pSLC時已經實現的那樣，通過放棄內存容量或應用過度配置可以達到顯著的積極耐久性效果）。

數據維護

糾錯和磨損均衡是通用閃存產品中也使用的機制。對于高質量的工業SDD或閃存卡，制造商進一步努力防止數據丟失和系統故障。因此，ECC監控、讀取干擾管理和自動讀取刷新等不同機制的組合可確保根據需要監控和刷新所有存儲的數據。這樣可以提前預防系統故障。（注意：應確保數據完整性，而不涉及主機應用程序。這允許進程在存儲卡中自主運行 - 而不僅僅是當累積位錯誤跟隨主機應用程序的讀取請求時，通常就是這種情況）。

因此，高級數據維護管理獨立于應用程序的請求搜索潛在錯誤。為此，所有寫入的頁面（包括固件和 FTL 的分配表）都將在后臺讀取并根據需要刷新。這種預防性糾錯有各種觸發因素，包括對市盈率循環次數、讀取數據量、讀取重復/重讀以及溫度升高的重復切換次數的定義數量。

知道要選擇什么

了解閃存技術的不同方面是為工業應用選擇最合適的存儲解決方案的關鍵。當然，還應考慮電源故障保護機制、特別是穩健的處理以及擴展溫度范圍的規格等標準。

為特定應用程序指定的模塊的長期可用性也很重要。這就是為什么一種類型的閃存 - 3D NAND - 在這里根本沒有代表。這項技術仍然太新，無法確保長期可用性，創新周期和設計變更對于工業產品生命周期來說仍然過于臨時。

最終，在選擇工業存儲技術的過程中，這些NAND閃存設備的耐用性和數據保留的經驗值至關重要。優化這些值是工業閃存產品制造商的關鍵任務，客戶應在購買前按壓這些數字。