1. 從Flash系統的性能提升說(shuō)起

從SD卡、手機、平板等消費級產(chǎn)品到數據中心企業(yè)級場(chǎng)景，NAND Flash憑借其高性能、大容量、低功耗以及低成本等特性大受歡迎，是目前應用最為廣泛的半導體非易失存儲介質(zhì)。為了滿(mǎn)足業(yè)務(wù)場(chǎng)景越來(lái)越嚴苛的性能要求，人們想了許多方法來(lái)提升基于NAND Flash的系統性能，具體可分為以下幾類(lèi)：

圖一 Flash系統性能提升概覽

- 提升總線(xiàn)頻率，優(yōu)化AC Timing：在滿(mǎn)足可靠傳輸的基礎上，提升NAND Flash總線(xiàn)頻率，盡可能使用較小的時(shí)序參數進(jìn)行操作。特別是在Page Size越來(lái)越大（2K 4K 8K 16KB）的情況下，優(yōu)化時(shí)序參數從而減小數據在總線(xiàn)上的傳輸時(shí)間顯得尤為重要，這也是過(guò)去二十多年來(lái)人們一直在持續努力的方向，比如總線(xiàn)接口速率為200Mbps (100MHz)時(shí)，完成4KB數據傳輸需要大約40us，但如果將總線(xiàn)接口速率提升到1600Mbps (800MHz)時(shí)，完成4KB數據傳輸僅需要大約5us。

- 使用Cache Read/Program: 一般情況下，LUN（Logic Unit Number）是NAND Flash最小的邏輯操作單元，讀/寫(xiě)操作是串行執行的，即一個(gè)讀/寫(xiě)命令完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)讀/寫(xiě)操作。Cache Read/Program允許用戶(hù)在NAND Flash Array Busy時(shí)，同時(shí)在總線(xiàn)上進(jìn)行讀/寫(xiě)數據傳輸，從而提高流水效率。

- 多路并發(fā)技術(shù)包括：1）通道間并發(fā)，允許用戶(hù)在不同的通道上并發(fā)執行獨立的命令和數據操作；2）通道內并發(fā)，即Interleaving操作，允許用戶(hù)在滿(mǎn)足一定約束的情況下，在通道內的不同CE或CE內的不同Die之間進(jìn)行交織操作；3）多平面操作，即Multi-Plane操作，允許用戶(hù)并發(fā)讀/寫(xiě)Die內的不同Plane?？梢哉f(shuō)，正是因為有了多路并發(fā)技術(shù)，才使得基于NAND Flash的固態(tài)存儲產(chǎn)品能達到GB級別的讀/寫(xiě)性能。

可見(jiàn)，以上優(yōu)化覆蓋了NAND Flash基礎時(shí)序/指令優(yōu)化到系統級的綜合優(yōu)化，在實(shí)際應用中可以根據系統要求組合選用。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，Cache Read/Program及多路并發(fā)技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，近年來(lái)的變化相對較小，但NAND Flash總線(xiàn)頻率提升技術(shù)一直在蓬勃發(fā)展，并且近年來(lái)有加速演進(jìn)的趨勢，下面我們將結合ONFI協(xié)議演進(jìn)來(lái)感受一下NAND Flash接口速率的演進(jìn)。

2. ONFI接口演進(jìn)歷史

ONFI (Open NAND Flash Interface)組織成立于2006年5月，致力于簡(jiǎn)化NAND Flash在消費電子應用和計算平臺中的集成和普及。自2006年12月發(fā)布第一個(gè)ONFI協(xié)議以來(lái)，ONFI組織已經(jīng)累計發(fā)布了數十個(gè)版本，最大接口速率也從最初的50Mbps發(fā)展到目前最新的3600Mbps，從圖二可以看到ONFI協(xié)議不斷優(yōu)化的接口演進(jìn)趨勢。

圖二 ONFI接口速率演進(jìn)

- ONFI 1.0：隨著(zhù)NAND Flash在SD卡及IPod等消費級電子產(chǎn)品的成功應用，以及基于閃存的MP3、U盤(pán)等需求量不斷增大，極大地拓展了NAND Flash的應用領(lǐng)域。但由于不同NAND Flash廠(chǎng)家的接口協(xié)議各有不同，導致下游的主控廠(chǎng)商和產(chǎn)品制造廠(chǎng)商遇到各種兼容性問(wèn)題。為了改變這種局面，Intel牽頭成立了ONFI組織，并在不久后迅速推出ONFI 1.0版本，目的是統一NAND Flash接口協(xié)議。

- ONFI 2.x：ONFI 2.x引入了NV-DDR技術(shù)，通過(guò)雙邊沿采樣（Double Data Rate）實(shí)現速率倍增，最大接口速率從ONFI 2.0的133Mbps演進(jìn)到ONFI 2.1/2.2的200Mbps。NV-DDR技術(shù)引入外部參考電壓作為數據輸入/輸出信號的采樣基準，采用源同步時(shí)鐘來(lái)精確鎖存數據、命令、地址信號，但由于DQS和Clock不是差分信號，所以邊沿容易受干擾，目前主流消費級/企業(yè)級NAND Flash已經(jīng)很少看到NV-DDR接口。

- ONFI 3.x：ONFI 3.x引入了NV-DDR2技術(shù)，最大接口速率從ONFI 3.0/3.1的400Mbps演進(jìn)到ONFI 3.2的533Mbps。NV-DDR2引入了差分信號和On-Die Termination (ODT)技術(shù)來(lái)提升信號質(zhì)量。在差分模式下，通過(guò)在數據傳輸階段使能RE_n/RE_c差分信號對和DQS_t/DQS_c signals差分信號對，可有效抑制噪聲和干擾。通過(guò)在NAND Flash芯片上集成ODT端接電阻，可以將控制器和NAND Flash的信號傳輸通道上的阻抗失配減少到最小，有助于減少信號反射；另外，ODT阻值可以通過(guò)軟件配置寄存器來(lái)控制，因此可以大大簡(jiǎn)化硬件電路設計。

- ONFI 4.x：ONFI 4.x引入了NV-DDR3技術(shù)，最大接口速率從ONFI 4.0的800Mbps演進(jìn)到ONFI 4.2的1600Mbps。為保障高速信號傳輸質(zhì)量，NV-DDR3引入了多項校準技術(shù)，包括ZQ Calibration、Duty Cycle Correction (DCC)和讀/寫(xiě)DQ校準。上文提到ONFI 3.0引入了ODT技術(shù)，由于NAND Flash上的ODT電阻采用CMOS工藝制備，容易在溫度和電壓變化時(shí)發(fā)生阻值漂移，因此需要通過(guò)ZQ Calibration技術(shù)通過(guò)外接高精度電阻進(jìn)行阻值校準。DCC校準可調節信號占空比，解決高速信號傳輸路徑不對稱(chēng)導致的上升沿與下降沿失配問(wèn)題，而讀/寫(xiě)DQ校準可以保證讀/寫(xiě)采樣信號對準眼圖中心。

- ONFI 5.x：ONFI 5.x引入了NV-LPDDR4技術(shù)，最大接口速率從ONFI 5.0的2400Mbps演進(jìn)到ONFI 5.1的3600Mbps。為了解決高速接口帶來(lái)的巨大信號完整性挑戰，ONFI 5.x除了進(jìn)一步加強寫(xiě)校準和VrefQ校準外，還引入了非對稱(chēng)DQS設計和自適應均衡器設計。如DFE（ecision Feedback Equalizer，判決反饋均衡器）技術(shù)用上次信道的輸出經(jīng)過(guò)判斷后加權反饋到輸入上，可以消除碼后干擾。另外，NV-DDR3和NV-LPDDR4支持的最大接口速率相同，但NV-LPDDR4的優(yōu)勢在于采用LTT技術(shù)后可大幅度降低讀操作功耗。

從ONFI 1.0到近期最新發(fā)布的ONFI 5.1可以看出，為了匹配系統前端接口（如eMMC/UFS/PCIe）越來(lái)越高的帶寬要求，NAND Flash接口速率整整提升了72倍，而且未來(lái)還將快速走向下一個(gè)峰值。

那接口速率的提升給系統帶來(lái)的收益是否也在翻倍上漲呢？答案是否定的。

3. 傳統協(xié)議的不足呼喚進(jìn)一步改進(jìn)

 NAND Flash總線(xiàn)上傳輸的信號可分為命令、地址和數據3種，通過(guò)DQ[7:0]時(shí)分復用，在不同的時(shí)刻分別傳輸命令、地址和數據。其中，數據是同步傳輸、差分采樣，速率較高；但命令和地址是異步傳輸、單端采樣，速率較低。從ONFI 1.0到ONFI 5.1，接口速率得到了飛速發(fā)展，但命令、地址和數據的傳輸形式基本不變。實(shí)際上，隨著(zhù)總線(xiàn)速率提升，改善的主要是數據傳輸時(shí)延，命令和地址的傳輸時(shí)延并沒(méi)有得到改善，對系統而言總線(xiàn)使用效率是在不斷下降的。如下圖三在樂(lè )觀(guān)的場(chǎng)景下比較了寫(xiě)/讀場(chǎng)景的總線(xiàn)效率，可以看到，讀和寫(xiě)的總線(xiàn)效率都在逐漸降低，尤其是在讀場(chǎng)景跌落到50%左右時(shí)進(jìn)一步加劇了系統設計的挑戰。

圖三 NAND Flash總線(xiàn)效率分析

圖四以業(yè)內某型號SSD為參考，與憶聯(lián)企業(yè)級固態(tài)硬盤(pán)產(chǎn)品UH811a進(jìn)行了對比分析?？梢钥吹?，兩款SSD的讀帶寬相當，都在7000MB/s左右，但UH811a的4K隨機讀IOPS相比參考SSD有顯著(zhù)提升。進(jìn)一步分析可以發(fā)現，將UH811a的4K IOPS換算成帶寬，是與讀帶寬相當的；但對參考SSD進(jìn)行同樣的換算，則換算出來(lái)的帶寬只有讀帶寬的70%，原因就在于隨機讀操作的總線(xiàn)開(kāi)銷(xiāo)高于順序讀。

圖四 讀帶寬 vs 4K讀IOPS

可見(jiàn)，在傳統命令/地址/數據傳輸形式不變的情況下，隨著(zhù)接口速率提升，增加系統復雜度的同時(shí)，帶來(lái)的收益卻在衰減，因此，傳統協(xié)議的不足推動(dòng)協(xié)議不斷改進(jìn)。面對這個(gè)問(wèn)題，JEDEC組織正緊鑼密鼓地討論協(xié)議的下一輪演進(jìn)，未來(lái)將在提升接口速率的同時(shí)優(yōu)化命令/地址傳輸方式，這也勢必會(huì )給主控設計帶來(lái)新的考驗。

4. 總結

一直以來(lái)，提升NAND Flash接口速率是提高系統性能的主要手段，NAND Flash廠(chǎng)商也想出了各種辦法來(lái)解決高速信號帶來(lái)的信號完整性問(wèn)題。面向未來(lái)，傳統的命令/地址輸入方式導致總線(xiàn)利用率不高，協(xié)議的進(jìn)一步演進(jìn)除了考慮繼續提升接口速率外，也將迎來(lái)新的命令/地址輸入方式。憶聯(lián)將密切關(guān)注協(xié)議發(fā)展動(dòng)態(tài)，并以靈活的架構來(lái)兼容支持未來(lái)的介質(zhì)，給客戶(hù)帶來(lái)更好的存儲產(chǎn)品與解決方案。

參考資料：

1. ONFI spec：

http://www.onfi.org/specifications

2.2022, Phison, NAND Flash 101: Flash Device Interfaces：

https://phisonblog.com/nand-flash-101-flash-device-interfaces-2/

3.2021, 移動(dòng)NAND閃存存儲的演進(jìn)：

https://phisonblog.com/the-evolution-of-mobile-nand-flash-memory-storage-2/

4.芯片中的數學(xué)——均衡器EQ和它在高速外部總線(xiàn)中的應用：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/48343011