Sản phẩm eMMC của Kingston trên nền vỏ máy màu đen.

Ước tính, Xác thực và Đánh giá Vòng đời eMMC

Thg1 2023
Trang chủ Blog
Các quy trình do bus NAND xử lý

Bộ nhớ NAND Flash không phải là một phương tiện đọc/ghi dữ liệu đơn thuần. Để sử dụng thiết bị này một cách đáng tin cậy, bạn cần triển khai một số thuật toán: Quản lý khối NAND, thu gom rác, kiểm soát lỗi và cân bằng hao mòn. Bộ nhớ NAND Flash hiện đại được quản lý bằng thuật toán trên thiết bị lưu trữ chứ không được triển khai trong bộ xử lý máy chủ. Nhờ đó, quy trình quản lý NAND của máy chủ bớt phức tạp hơn. Đồng thời, việc hỗ trợ và duy trì sản phẩm cũng trở nên đơn giản hơn, từ đó mang lại lợi ích cho người dùng.

Việc máy chủ ghi trực tiếp vào NAND Flash là quy trình không hiệu quả bởi có thể khiến phương tiện sớm bị hỏng. Đơn vị tổ chức nhỏ nhất của NAND là trang. Bạn có thể đọc và lập trình trang nhưng lại không thể xóa trang. Đơn vị tổ chức duy nhất mà bạn có thể xóa là khối. Mỗi khối bao gồm nhiều trang. Do đó, bạn không thể ghi đè các trang cho đến khi xóa một khối. Theo thời gian, khi đạt đến giới hạn độ bền, khối có thể bị hỏng. Bên cạnh đó, cũng có thể xảy ra những khiếm khuyết dẫn tới hỏng hóc sớm.

NAND Flash có các chu kỳ xóa chương trình hạn chế. Khi đạt đến giới hạn, thiết bị sẽ chuyển sang trạng thái EoL (hết thời gian sử dụng). Khi đó, bạn không thể tin tưởng sử dụng thiết bị này nữa. Độ bền thay đổi tùy theo cấu hình của ô NAND.

Cấu hình ô đơn cấp (Single Level Cell): thiết lập này có độ bền cao nhất và biên độ sai số lớn nhất.

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

eMMC đọc và ghi vào các đơn vị sector có dung lượng là 512 byte theo phương thức logic chứ không phải phương thức vật lý. Địa chỉ sector được gọi là Địa chỉ khối lôgic, gọi tắt là LBA. Khi sửa đổi dữ liệu thì việc xóa toàn bộ khối NAND là hành động phi thực tế bởi sẽ khiến các trang không thay đổi bị hao mòn theo hướng không hiệu quả. Cơ chế ánh xạ LBA-PBA (Địa chỉ khối vật lý) thu nhỏ phạm vi ghi để cân bằng độ mòn của khối. Phương pháp này gọi là cân bằng hao mòn. LBA được ánh xạ tới PBA thông qua bảng biên dịch địa chỉ. Quy trình này cân bằng độ mòn của khối và cải thiện tốc độ ghi.

Quá trình ánh xạ địa chỉ hoạt động như sau:

  • Các sector eMMC có dung lượng là 512 byte, còn các trang NAND có dung lượng là 16 KB. Bảng ánh xạ sẽ nhóm 32 địa chỉ sector tuần tự thành một đơn vị có kích thước là một trang.
  • Nếu sửa đổi một sector trong một nhóm trang, trình điều khiển sẽ đọc toàn bộ nhóm sector cho trang đó, cập nhật tất cả các sector đã sửa đổi, sau đó lập trình dữ liệu mới trở lại một trang mới.
  • Bảng ánh xạ sẽ được cập nhật sau khi lập trình xong trang cập nhật. Thao tác này ghi đè mục nhập trước đó bằng địa chỉ khối và trang của trang NAND cập nhật.
  • Ngay cả khi chỉ sửa đổi một sector, nhưng NAND Flash phải lập trình toàn bộ trang. Hoạt động không hiệu quả này gọi là Khuếch đại ghi. Tỉ lệ ghi của NAND Flash so với số lượt ghi theo mức thiết bị eMMC gọi là WAF (Hệ số khuếch đại ghi).

Những hoạt động ghi lại nhỏ, ngẫu nhiên, không được điều chỉnh phù hợp theo trang thường là nguyên nhân lớn nhất dẫn tới khuếch đại ghi. Để giảm thiểu WAF, cần điều chỉnh các lần ghi cho phù hợp với ranh giới trang theo bội số là đơn vị kích thước trang. Kích thước đơn vị tối ưu này nằm trong trường Kích thước ghi tối ưu của thanh ghi CSD Mở rộng.

Công thức để xác định Tổng số byte được ghi (gọi tắt là TBW) rất đơn giản:

(Dung lượng thiết bị * Hệ số độ bền) / WAF = TBW

Thông thường, WAF có giá trị từ 4 đến 8, nhưng còn phụ thuộc vào hành vi ghi của hệ thống máy chủ. Ví dụ: giá trị ghi tuần tự lớn làm giảm WAF, còn giá trị ghi ngẫu nhiên các khối dữ liệu nhỏ khiến WAF cao hơn. Loại hành vi này thường khiến thiết bị lưu trữ sớm bị lỗi hơn

Ví dụ: eMMC có dung lượng 4 GB với hệ số độ bền là 3000 và WAF là 8 sẽ tương đương với:

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

Tổng số byte được ghi của thiết bị eMMC là 1,5 TB. Do đó, chúng ta có thể ghi 1,5 TB dữ liệu trong vòng đời của sản phẩm trước khi đạt đến trạng thái EoL.

Để ước tính yêu cầu TBW của bạn, hãy ước tính mức sử dụng hàng ngày của thiết bị bạn quan tâm. Ví dụ: với lượng công việc là ghi 500 MB hàng ngày (và vòng đời dự kiến là 5 năm), bạn sẽ cần một thiết bị có thể đạt đến TBW lớn hơn 915 GB:

0,5 GB * 365 = ~183 GB trong một năm, tương đương 915 GB trong 5 năm

Bạn có thể sử dụng TBW để xác định WAF tối đa được cho phép của một thiết bị, bởi vì TBW = (DC * EF) / WAF. Nếu tuổi thọ của thiết bị không thể đạt được TBW mục tiêu cho ứng dụng sản phẩm của bạn, bạn có thể tìm cách cải thiện điều này. Hãy cân nhắc đặt thiết bị ở chế độ Ô đơn cấp giả (Pseudo Single Level Cell). Chế độ này có thể tăng độ bền lên gấp 10 lần bằng cách chuyển đổi thiết bị từ TLC hoặc MLC sang chế độ một bit trên mỗi ô. Tuy nhiên, cách làm này khiến công suất giảm đáng kể: giảm 50% đối với thiết bị MLC hai bit trên mỗi ô và giảm hơn 66% đối với thiết bị TLC ba bit. Nếu giải pháp này không làm bạn hài lòng, hãy chọn một thiết bị lớn hơn để xử lý một lượng công việc tương tự. Thiết bị có công suất gấp đôi cũng sẽ có TBW gấp đôi.

Các thuật toán eMMC của Kingston có hệ số khuếch đại ghi thấp. Chúng tôi cung cấp nhiều cấu hình để cân bằng giữa hiệu năng, tuổi thọ và độ tin cậy. Bạn có thể theo dõi tuổi thọ của thiết bị bằng cách sử dụng các công cụ ước tính tuổi thọ JEDEC có trong EXT_CSD. Đây là tính năng được chia sẻ với tất cả các thiết bị eMMC. Các công cụ này báo cáo tuổi thọ với tỉ lệ tăng là 10% dựa trên độ bền của thiết bị. Một công cụ báo cáo tuổi thọ của các khối NAND Flash có cấu hình MLC hoặc TLC và công cụ còn lại báo cáo tuổi thọ của các khối được đặt cấu hình ở chế độ SLC giả. Các thiết bị eMMC của Kingston cũng có lệnh của nhà cung cấp để đưa ra tuổi thọ khối trung bình của thiết bị. Các thiết bị này cho kết quả chính xác hơn công cụ JEDEC nhưng bạn cần phát triển phần mềm một chút thì mới có thể sử dụng được. Ngoài ra, bạn có thể gửi thiết bị cũ của mình đến Kingston để được phân tích toàn diện hơn.

#KingstonLuônBênBạn

promo embedded

Hỏi chuyên gia

Để lên kế hoạch cho giải pháp phù hợp, cần phải hiểu các yêu cầu của dự án và hệ thống. Hãy để các chuyên gia của Kingston hướng dẫn cho bạn.

Hỏi chuyên gia

Video liên quan

Thiết kế các sản phẩm nhúng để kéo dài tuổi thọ 51:35

Thiết kế các sản phẩm nhúng để kéo dài tuổi thọ

Tuổi thọ sản phẩm là mối quan tâm chính đối với nhiều ứng dụng nhúng thường đòi hỏi tuổi thọ từ 7-10 năm. Với tốc độ nhanh chóng mà công nghệ đang tiến bộ và thay đổi, việc duy trì lâu dài các sản phẩm nhúng có thể là một thách thức.

Ước tính, xác thực và đánh giá vòng đời eMMC 14:38

Ước tính, xác thực và đánh giá vòng đời eMMC

Quan trọng là hiểu được cách quản lý bộ nhớ NAND Flash trên eMMC trong các thiết bị hiện đại và điều này liên quan đến vòng đời sản phẩm ra sao. Hướng dẫn này sẽ giúp các nhà thiết kế và kỹ sư hiểu được cách ước tính và xác thực vòng đời hữu dụng của thiết bị lưu trữ eMMC trong thiết kế hệ thống.

Một cánh cửa có biển hiệu South Seas LLC và một chiếc PC mini sử dụng ổ SSD Kingston 4:50

Kingston đã giúp South Seas Data xây dựng danh tiếng về độ tin cậy như thế nào

Mối quan hệ giữa South Seas Data và Kingston là một thành công lớn: quá trình diễn ra như thế nào và lý do tại sao?

Cân bằng hao mòn eMMC 3:13

Cân bằng hao mòn eMMC

Thiết bị lưu trữ eMMC chứa các khối NAND, sẽ hao mòn khi thường sử dụng. Cân bằng hao mòn giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị eMMC bằng cách ưu tiên sử dụng các khối 'mới hơn' trong lưu trữ.

Bài viết liên quan

Trang chủ Blog