簡介
閃存的物理特性與常見的内存有根本性的差異:
各類 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發性内存,隻要停止電流供應内存中的數據便無法保持,因此每次電腦開機都需要把數據重新載入内存;
閃存則是一種非易失性( Non-Volatile )内存,在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據,其存儲特性相當于硬盤,這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。
分類
NOR和NAND是市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發出NOR flash技術,徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接着,1989年,東芝公司發表了NAND flash結構,強調降低每比特的成本,更高的性能,并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經過了十多年之後,仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。
NAND 閃存的存儲單元則采用串行結構,存儲單元的讀寫是以頁和塊為單位來進行(一頁包含若幹字節,若幹頁則組成儲存塊, NAND 的存儲塊大小為 8 到 32KB ),這種結構最大的優點在于容量可以做得很大,超過 512MB 容量的 NAND 産品相當普遍, NAND 閃存的成本較低,有利于大規模普及。
NAND 閃存的缺點在于讀速度較慢,它的 I/O 端口隻有 8 個,比 NOR 要少多了。這區區 8 個 I/O 端口隻能以信号輪流傳送的方式完成數據的傳送,速度要比 NOR 閃存的并行傳輸模式慢得多。再加上 NAND 閃存的邏輯為電子盤模塊結構,内部不存在專門的存儲控制器,一旦出現數據壞塊将無法修,可靠性較 NOR 閃存要差。
應用
NAND 閃存被廣泛用于移動存儲、MP3 播放器、數碼相機、 掌上電腦等新興數字設備中。由于受到數碼設備強勁發展的帶動, NAND 閃存一直呈現指數級的超高速增長。
“flash存儲器”經常可以與“NOR存儲器”互換使用。許多業内人士也搞不清楚NAND閃存技術相對于NOR技術的優越之處,因為大多數情況下閃存隻是用來存儲少量的代碼,這時NOR閃存更适合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。
NOR的特點是芯片内執行(XIP, eXecute In Place),這樣應用程序可以直接在flash閃存内運行,不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高,在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益,但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。
NAND結構能提供極高的單元密度,可以達到高存儲密度,并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統接口。
特點
性能
flash閃存是非易失存儲器,可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作隻能在空或已擦除的單元内進行,所以大多數情況下,在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡單的,而NOR則要求在進行擦除前先要将目标塊内所有的位都寫為0。
由于擦除NOR器件時是以64~128KB的塊進行的,執行一個寫入/擦除操作的時間為5s,與此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的塊進行的,執行相同的操作最多隻需要4ms。
執行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距,統計表明,對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時),更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣,當選擇存儲解決方案時,設計師必須權衡以下的各項因素。
● NOR的讀速度比NAND稍快一些。
● NAND的寫入速度比NOR快很多。
● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。
● 大多數寫入操作需要先進行擦除操作。
● NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。
可靠性
采用flash介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來說,Flash是非常合适的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。
耐用性
在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次,而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢,典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個NAND存儲器塊在給定的時間内的删除次數要少一些。
易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的閃存,可以像其他存儲器那樣連接,并可以在上面直接運行代碼。
由于需要I/O接口,NAND要複雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。
在使用NAND器件時,必須先寫入驅動程序,才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧,因為設計師絕不能向壞塊寫入,這就意味着在NAND器件上自始至終都必須進行虛拟映射。
其他作用
驅動還用于對DiskOnChip産品進行仿真和NAND閃存的管理,包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。
特性比較
接口差别
NOR flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其内部的每一個字節。
NAND器件使用複雜的I/O口來串行地存取數據,各個産品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。
NAND讀和寫操作采用512字節的塊,這一點有點像硬盤管理此類操作,很自然地,基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。
容量成本
NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半,由于生産過程更為簡單,NAND結構可以在給定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相應地降低了價格。
NOR flash占據了容量為1~16MB閃存市場的大部分,而NAND flash隻是用在8~128MB的産品當中,這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中,NAND适合于數據存儲,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。
位交換
所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見,NAND發生的次數要比NOR多),一個比特位會發生反轉或被報告反轉了。
一位的變化可能不很明顯,但是如果發生在一個關鍵文件上,這個小小的故障可能導緻系統停機。如果隻是報告有問題,多讀幾次就可能解決了。
當然,如果這個位真的改變了,就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見于NAND閃存,NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候,同時使用EDC/ECC算法。
這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是緻命的。當然,如果用本地存儲設備來存儲操作系統、配置文件或其他敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統以确保可靠性。
壞塊處理
NAND器件中的壞塊是随機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力,但發現成品率太低,代價太高,根本不劃算。
NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊,并将壞塊标記為不可用。在已制成的器件中,如果通過可靠的方法不能進行這項處理,将導緻高故障率。
軟件支持
當讨論軟件支持的時候,應該區别基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件,包括性能優化。
在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持,在NAND器件上進行同樣操作時,通常需要驅動程序,也就是内存技術驅動程序(MTD),NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。
使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些,許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件,這其中包括M-System的TrueFFS驅動,該驅動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。
FLASH閃存虛拟化
基于閃存的存儲能夠解決很多性能問題,尤其是由虛拟服務器環境所導緻的問題。但閃存仍有很多神秘之處:它們可信嗎?哪種類型的閃存最适合虛拟環境? 閃存是一種内存技術,與RAM不同,在斷電時它仍舊可以保留所存儲的信息。盡管閃存在執行讀寫操作時并不像RAM那樣快,但性能遠遠高于典型的硬盤。更為重要的是,訪問數據時幾乎不存在任何時間延遲。
FLASH閃存是一種内存技術,與RAM不同,在斷電時它仍舊可以保留所存儲的信息。盡管FLASH閃存在執行讀寫操作時并不像RAM那樣快,但性能遠遠高于典型的硬盤。更為重要的是,FLASH閃存訪問數據時幾乎不存在任何時間延遲。FLASH閃存技術非常适合随機I/O,而虛拟服務器環境中恰恰存在大量的随機I/O。
對FLASH閃存主要的關注點之一是其執行寫操作的方式。FLASH閃存可以執行的寫操作次數有限,這意味着FLASH閃存廠商需要開發複雜的控制器技術,對寫入FLASH閃存模塊的方式進行管理,确保每個FLASH閃存單元接收相同的寫請求。
目前有三種類型的FLASH閃存,耐久性各不相同。單階存儲單元(SLC)FLASH閃存在每個單元寫一位數據,耐久性最好。多階存儲單元(MLC)FLASH閃存在每個單元寫多位數據,耐久性排名第二。三階存儲單元(TLC)在每個單元寫三位數據,耐久性最差。每個單元寫入的數據位越多意味着每個單元的容量越高,每GB的成本越低,同樣意味着平均壽命更短。
SLC是數據中心标準,但控制器技術的不斷優化使得MLC被大多數用例所接受。尤其是在采用了某種方式的數據保護,比如鏡像或者RAID或者使用了FLASH閃存層時。
了解FLASH閃存的幾種規格
就在虛拟環境中使用FLASH閃存而言,通常有三種規格可供選擇。
最常見的是固态硬盤,其與硬盤的規格相同。這類FLASH閃存可以很容易地安裝在服務器内部或者存儲陣列内部,直接使用HDD的驅動器插槽即可。
SSD的不足之處在于性能、密度。在SSD中放置FLASH閃存意味着所有的存儲I/O都是通過SCSI堆棧處理的。與其他方式相比,會增加一些延遲。盡管如此,這些系統,尤其是陣列,仍舊可以交付成千上萬個IOPS,因此很少會受到需要使用SCSI協議的SSD的影響。密度同樣受到了忽視,閃存SSD廠商已經采用了獨特的方式在硬盤中塞入盡可能多的FLASH閃存,與同等的HDD相比,SSD通常提供了更大的存儲容量。
就某些環境而言,SCSI所增加的延遲存在問題,盡管通常我們所指的并不是虛拟環境。當延遲是一個關注點時,可以選擇PCIe SSD,将閃存設備集成到PCIe闆卡上。這通常避免了标準的存儲協議堆棧而且能夠在本地訪問CPU。但用于三大最為流行的虛拟環境的驅動器都是很普通的。
PCIe應該被虛拟環境視為RAM内存的一個擴展。因為PCIe具備低延遲特性,能夠提供性能非常高的虛拟内存池,這樣一來動态RAM用于存儲換出的頁面幾乎對性能沒有任何影響。
另一種正在變得流行的FLASH閃存是内存總線FLASH閃存。FLASH内存總線FLASH閃存安裝在服務器FLASH内存插槽中而不是PCIe總線中。FLASH内存總線FLASH閃存看起來像是DRAM雙排直插内存模塊,但實際上包含的是FLASH閃存。這種實現方式的延遲甚至比PCIe SSD還要低而且在訪問CPU時提供了私有、高性能路徑。FLASH内存總線FLASH閃存在虛拟環境中應用有限,但将FLASH内存總線FLASH閃存用作虛拟交換FLASH内存大有裨益,當難于使用PCIe插槽時,FLASH内存總線閃存同樣是刀片、1U以及2U服務器的理想選擇。