Uma unidade eMMC Kingston em um fundo de um gabinete preto.

Estimativa, validação e monitoramento do ciclo de vida do eMMC

jan 2023
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Processos tratados pelo barramento NAND

O armazenamento do Flash NAND não é um simples meio de dados de leitura/gravação. Para uso confiável, vários algoritmos devem ser implementados: Gerenciamento de blocos NAND, coleta de lixo, controle de erros e monitoramento de desgaste. O Flash NAND moderno é gerenciado com algoritmos no dispositivo de armazenamento, não implementados no processador host. Isso beneficia seus usuários, pois torna o gerenciamento do NAND menos complexo para o host e simplifica o suporte e a manutenção do produto.

As gravações de host no Flash NAND apresentam ineficiências que podem fazer com que a mídia falhe mais cedo. A menor unidade organizacional NAND é a página, que pode ser lida e programada, mas não apagada. A única unidade organizacional que pode ser apagada é o bloco, que consiste em muitas páginas. Portanto, as páginas não podem ser substituídas até que um bloco seja apagado. Os blocos podem falhar com o tempo à medida que seu nível de resistência é atingido. Defeitos que levam a falhas precoces também podem ocorrer.

O Flash NAND possui ciclos limitados de apagamento de programas. Atingir esse limite significa que o dispositivo está no estado EoL, o que significa que não é mais confiável. A resistência varia dependendo da configuração das células NAND.

Configuração de Célula de Nível Único: esta configuração tem a maior resistência e a maior margem de erro.

eMMC LBA 512B Sector Address

 NAND Page & Block Address
0:31 Blk10, Pg101
32:63 Blk10, Pg102
64:95 Blk10, Pg103
96:127 Blk10, Pg104
128:159 Blk15, Pg57
160:191 Blk8, Pg129
192:223 Blk10, Pg107
224:255 Blk22, Pg88

O eMMC lê e grava em unidades de setor de 512 bytes, que são lógicas, não físicas. Os endereços de setor são chamados de Endereços de Bloco Lógico, ou LBAs. Quando os dados são modificados, apagar todo o bloco NAND é impraticável, causando desgaste ineficiente nas páginas que não foram alteradas. Um esquema de mapeamento LBA-PBA (Endereço de Bloco Físico) fornece gravações menores para equilibrar o desgaste do bloco, uma prática chamada monitoramento de desgaste. Por meio de uma tabela de tradução de endereços, os LBAs são mapeados para os PBAs. Esse processo equilibra o desgaste do bloco e melhora a velocidade de gravação.

O processo de mapeamento de endereços funciona da seguinte maneira:

  • Os setores do eMMC são 512 bytes, enquanto as páginas NAND são 16kb. Uma tabela de mapeamento agrupa 32 endereços de setor sequenciais em uma unidade de tamanho de página.
  • Se um setor em um grupo de páginas for modificado, o controlador lê todo o grupo de setores dessa página, atualiza todos os setores modificados e programa novos dados de volta para uma nova página.
  • Após a programação da página atualizada, a tabela é atualizada, substituindo a entrada anterior pelo endereço do bloco e da página NAND atualizada.
  • Mesmo que apenas um setor tenha sido modificado, o Flash NAND deve programar uma página inteira. Essa ineficiência é chamada de Amplificação de Gravação. A proporção de gravações do Flash NAND para gravações no nível de dispositivo eMMC é o WAF (Fator de Amplificação de Gravação).

Regravações pequenas, aleatórias e não alinhadas à página geralmente são a maior fonte de amplificação de gravação. Para minimizar o WAF, as gravações devem ser alinhadas em um limite de página em múltiplos de unidades de tamanho de página. Esse tamanho adequado de unidade encontra-se no campo Tamanho de Gravação Ideal do registro CSD estendido.

A fórmula para determinar o Total de Bytes Gravados, ou TBW, é simples:

(Capacidade do dispositivo * Fator de resistência) / WAF = TBW

Muitas vezes, o WAF está entre 4 e 8, mas depende do comportamento de gravação do sistema host. Por exemplo, gravações sequenciais grandes produzem um WAF menor, enquanto gravações aleatórias de pequenos blocos de dados produzem um WAF maior. Esse tipo de comportamento geralmente pode levar à falha precoce dos dispositivos de armazenamento.

Por exemplo, um eMMC de 4 GB com um fator de resistência de 3000 e um WAF de 8 equivalerá a:

(4 GB * 3000) / 8 = 1,5 TB

O total de bytes gravados do dispositivo eMMC é de 1,5 TB. Portanto, podemos gravar 1,5 TB de dados durante o ciclo de vida do produto antes dele atingir seu estado de EoL.

Para estimar seus requisitos de TBW, estime o uso diário do dispositivo em questão. Por exemplo, uma carga de trabalho com 500 MB de uso diário de gravação (e um ciclo de vida pretendido de 5 anos) precisará de um dispositivo que possa atingir um TBW maior que 915 GB:

0,5 GB * 365 = ~183 GB por ano ou 915 GB por 5 anos

O TBW pode ser usado para determinar o WAF máximo permitido para um dispositivo, desde que TBW = (DC * EF) / WAF. Se a vida útil do seu dispositivo não atingir o TBW desejado para o aplicativo do seu produto, você pode tentar melhorá-lo. Considere colocá-lo no modo Pseudo Célula de Nível Único, o que pode aumentar dez vezes a resistência convertendo o dispositivo de TLC ou MLC para o modo único-bit-por-célula. No entanto, isto reduz drasticamente a capacidade: 50% para um dispositivo MLC de dois bits por célula e mais de 66% para um dispositivo TLC de três bits. Se esta solução não for satisfatória para você, escolher um dispositivo maior para lidar com a mesma carga de trabalho também ajuda. Um dispositivo com o dobro da capacidade terá o dobro do TBW.

Os algoritmos do eMMC da Kingston atingem um baixo fator de amplificação de gravação. Oferecemos várias configurações para equilibrar desempenho, vida útil e confiabilidade. A idade do dispositivo pode ser monitorada usando as ferramentas de estimativa de vida útil JEDEC arquivadas no EXT_CSD, um recurso compartilhado com todos os dispositivos eMMC. A vida útil é notificada em aumentos de 10% com base na resistência do dispositivo. Uma ferramenta informa a idade dos blocos flash NAND configurados por TLC ou MLC, enquanto a outra relata a idade dos blocos configurados no modo pseudo-SLC. Os dispositivos Kingston eMMC também possuem comandos do fabricante para retornar a idade média do bloco do dispositivo. Estes são mais precisos do que as ferramentas JEDEC, mas requerem um pouco de desenvolvimento de software para serem utilizadas. Como alternativa, você pode enviar seu dispositivo antigo para a Kingston para uma análise mais abrangente.

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