一種集成mram的固態(tài)硬盤控制芯片及固態(tài)硬盤的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字存儲領(lǐng)域，具體涉及一種集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片及固態(tài)硬盤。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)硬盤(Solid State Drives，SSD)，簡稱固盤，是用于存儲數(shù)字信息的設(shè)備。
[0003]NAND閃存技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了 SSD產(chǎn)業(yè)，SSD與主機(jī)之間使用高速串行接口如SATA、PICe等技術(shù)，如圖1所示，內(nèi)部由用于存儲數(shù)據(jù)的一組NAND芯片，用于緩存數(shù)據(jù)的雙倍速率動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(Double Data Rate Dynamic Random Access Memory, DDR DRAM)，以及一個(gè)主控芯片組成。
[0004]智能手機(jī)由于嚴(yán)格的尺寸要求，還很難支持SSD。一般使用尺寸更小的存儲卡，比如eMMC制式或者M(jìn)icroSD制式的。存儲卡的架構(gòu)與固態(tài)硬盤類似，只是不會(huì)在內(nèi)部使用大量的DDR DRAM，使用少量的SRAM集成在控制器中，犧牲一些性能。
[0005]如圖2所示，手機(jī)與計(jì)算機(jī)的文件操作方式如下:
[0006](I)應(yīng)用軟件向操作系統(tǒng)發(fā)出打開、關(guān)閉、讀、寫文件指令；
[0007](2)操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)部分把讀、寫文件的指令轉(zhuǎn)化為讀、寫存儲塊的指令；
[0008](3)NAND驅(qū)動(dòng)與管理軟件接受讀寫存儲塊區(qū)的指令，進(jìn)行緩存、寫均衡等優(yōu)化，向芯片發(fā)出讀寫page，擦除block等指令。
[0009]固態(tài)硬盤和存儲卡的存儲介質(zhì)都是NAND閃存。
[0010]NAND閃存是一種整塊讀寫的存儲設(shè)備，最小可讀取的單元為頁(page)，最小可擦除的單元為塊(block)，一個(gè)塊往往由很多頁組成，塊擦除后里面的頁可以進(jìn)行單獨(dú)的寫入操作。寫入操作很慢，比讀取慢得多，而擦除操作又比寫入更加慢得多。
[0011]NAND閃存的一個(gè)問題是NAND具有有限的壽命。里面的每一個(gè)頁經(jīng)過一定次數(shù)的擦寫以后，就會(huì)永久失效不能繼續(xù)使用。目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢是NAND的容量和數(shù)據(jù)密度增長非?？?，但卻是以降低壽命為代價(jià)。可擦寫次數(shù)從最初的10萬次降低到目前的3000次左右。
[0012]因?yàn)镹AND閃存的以上特性，SSD內(nèi)部的NAND管理軟件比較復(fù)雜。為了不使某些經(jīng)常發(fā)生寫操作的塊提前損壞，需要進(jìn)行寫均衡處理。
[0013]文件系統(tǒng)軟件所識別的邏輯地址和物理地址是不同的，需要一個(gè)表把二者對應(yīng)起來。由于NAND擦除太慢，一般修改一內(nèi)容時(shí)不在原來的塊區(qū)更新，而是把新的內(nèi)容寫到一個(gè)新的塊區(qū)，舊塊區(qū)標(biāo)記為無效，等CPU空閑下來再擦除它。這樣，邏輯地址物理地址的對照表是不斷動(dòng)態(tài)更新的。這個(gè)表正比于SSD的總?cè)萘?，存在DDR DRAM里，另外在NAND里面也有相應(yīng)的標(biāo)記。隨著市場上SSD容量的迅速增加，這個(gè)表成為DRAM最大的消耗者。
[0014]由于NAND的讀寫速度比DRAM慢得多，還可以利用一部分DRAM空間作為讀、寫緩存(Cache)，以提高整個(gè)SSD的性能。
[0015]然而引入寫緩存產(chǎn)生了新的問題:一旦發(fā)生斷電，DRAM緩存中尚未寫入NAND的內(nèi)容會(huì)丟失，造成系統(tǒng)丟失數(shù)據(jù)甚至整個(gè)文件系統(tǒng)的損壞，因此必須同時(shí)使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)(一般由電池或者大量的電容器組成)。而邏輯-物理地址對照表，在發(fā)生斷電后，是可以利用NAND中的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造的，盡管很費(fèi)時(shí)間。
[0016]NAND閃存一般在出廠時(shí)就有一些損壞的塊。所以所有的NAND都伴隨著一個(gè)壞塊表，一般會(huì)被存儲在NAND的指定區(qū)域或者在壞塊上做標(biāo)記。所以，一般NAND廠家提供的產(chǎn)品容量都大于標(biāo)定值，留有一些備份塊。
[0017]NAND在使用過程中壞塊可能還會(huì)不斷出現(xiàn)。最常見的情況下是在寫入或擦除時(shí)，芯片的狀態(tài)顯示可能會(huì)表示寫入、擦除失敗。此時(shí)NAND管理軟件應(yīng)該找到一個(gè)替代塊，重新寫入數(shù)據(jù)。較少的情況下，讀出時(shí)也會(huì)因?yàn)榧m錯(cuò)和校驗(yàn)而失敗，此時(shí)數(shù)據(jù)通常能夠通過多次重復(fù)讀來恢復(fù)，但NAND管理軟件可能會(huì)尋找替代塊把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過去。
[0018]現(xiàn)有的固態(tài)硬盤存在以下缺陷:
[0019]I速度:計(jì)算機(jī)的SSD，讀寫的速度除了受限于NAND的讀寫速度外，還受限于SATA, PCIe等串行接口的速度；
[0020]2尺寸:計(jì)算機(jī)的SSD尺寸很大，對于越來越輕薄的筆記本電腦、平板電腦，應(yīng)用起來越來越困難，應(yīng)用到手機(jī)上幾乎不可能；
[0021]3壽命:NAND具有有限的擦除壽命?，F(xiàn)有的技術(shù)不但沒有辦法對其進(jìn)行保護(hù)，相反，邏輯物理地址對照表是經(jīng)常修改的東西，為了防止系統(tǒng)突然掉電時(shí)SSD內(nèi)容恢復(fù)的困難，必須以很高的頻率把這張表保存在NAND中，增加了 NAND的寫的次數(shù)，進(jìn)一步縮短了NAND的壽命。
[0022]如圖3所示，一種MRAM-NAND控制器，包括MRAM模塊、主機(jī)接口與NAND控制器。一種貼片式固態(tài)硬盤，包括MRAM-NAND控制器與NAND模塊。
[0023]由于采用MRAM-NAND控制器以及POP與3D SIC封裝技術(shù)，使得貼片式固態(tài)硬盤尺寸更小，能夠直接貼片到主板上；不僅能夠應(yīng)用到計(jì)算機(jī)上，也能夠應(yīng)用在平板電腦與手機(jī)上；MRAM-NAND控制器的主機(jī)接口，采用DDR DRAM接口，使得貼片式固態(tài)硬盤的讀寫速度大大提尚。
[0024]然而，控制芯片內(nèi)部不含CPU，硬盤使用物理地址，手機(jī)及計(jì)算機(jī)的廠家一般不愿意直接面對復(fù)雜的NAND管理程序，開發(fā)針對各種型號的NAND芯片的驅(qū)動(dòng)，使得該方案的應(yīng)用有一定的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片，能夠把固態(tài)硬盤做得速度更快，尺寸更小，直接貼片到主板上。不僅能應(yīng)用到計(jì)算機(jī)上，也能應(yīng)用在平板電腦和手機(jī)上。
[0026]本發(fā)明的背景是兩項(xiàng)重要的技術(shù)發(fā)展:
[0027](I) 3D NAND技術(shù)發(fā)展使得未來一個(gè)芯片的容量可以相當(dāng)于過去整個(gè)SSD的容量，足夠運(yùn)行常見的操作系統(tǒng)及其基本應(yīng)用；
[0028](2)MRAM技術(shù)的成熟。MRAM是一種新的內(nèi)存和存儲技術(shù)，可以像DDR(D)RAM—樣快速隨機(jī)讀寫，還可以像NAND閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)。而且MRAM不像DRAM—樣與標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝不兼容。MRAM可以和邏輯電路集成到一個(gè)芯片中。
[0029]本發(fā)明提供一種集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片，包括CPU、MRAM、主機(jī)接口以及NAND控制器，主機(jī)接口用于連接集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片與主機(jī)，NAND控制器用于控制與NAND芯片的連接，CPU與MRAM、主機(jī)接口控制器以及NAND控制器連接，主機(jī)接口使用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存讀寫接口。
[0030]進(jìn)一步地，NAND控制器為單通道或多通道，采用多通道，進(jìn)一步提高了讀寫NAND芯片的速度。
[0031]進(jìn)一步地，集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片還包括主機(jī)接口控制器，主機(jī)接口控制器用于控制主機(jī)接口。
[0032]進(jìn)一步地，主機(jī)接口控制器和/或NAND控制器通過DMA直接讀寫MRAM，使得通過主機(jī)接口控制器與主機(jī)交換數(shù)據(jù)不占用固態(tài)硬盤控制芯片的CPU時(shí)間，和/或通過NAND控制器與NAND芯片交換數(shù)據(jù)不占用固態(tài)硬盤控制芯片的CPU時(shí)間，進(jìn)一步提高固態(tài)硬盤的讀與性能。
[0033]進(jìn)一步地，MRAM包括NAND管理軟件存儲區(qū)，CPU運(yùn)行存儲于NAND管理軟件存儲區(qū)的NAND管理軟件。
[0034]NAND管理軟件由集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片的CPU運(yùn)行，而不像現(xiàn)有技術(shù)中由手機(jī)或計(jì)算機(jī)的CPU運(yùn)行，避免了手機(jī)及計(jì)算機(jī)的廠家直接面對復(fù)雜的NAND管理軟件，開發(fā)針對各種型號的NAND芯片的驅(qū)動(dòng)，因此本發(fā)明的技術(shù)方案更易于應(yīng)用。
[0035]進(jìn)一步地，CPU與主機(jī)之間設(shè)置中斷連接，用于通知主機(jī)NAND芯片讀寫的狀態(tài)。
[0036]進(jìn)一步地，MRAM包括邏輯物理地址對照表，主機(jī)使用邏輯地址進(jìn)行讀寫操作，CPU根據(jù)邏輯物理地址對照表進(jìn)行地址翻譯，并進(jìn)行NAND芯片的相關(guān)的管理操作。將邏輯物理地址對照表設(shè)置在MRAM中，減少了寫入NAND芯片的次數(shù)，延長了 NAND芯片的壽命。
[0037]進(jìn)一步地，MRAM還包括寫緩存或讀寫緩存，不僅提高了固態(tài)硬盤的讀寫速度，而且減少了寫入NAND芯片的次數(shù)，延長了 NAND芯片的壽命。
[0038]本發(fā)明還提供一種固態(tài)硬盤，包括上述集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片與NAND芯片。
[0039]進(jìn)一步地，集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片和NAND芯片通過POP封裝技術(shù)封裝在一起，直接貼片在主機(jī)的主板上，這樣組成的固態(tài)硬盤比現(xiàn)有技術(shù)中的固態(tài)硬盤尺寸小得多，能夠用在手機(jī)以及輕薄的筆記本中。
[0040]進(jìn)一步地，集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片與NAND芯片通過3D SIC技術(shù)疊合在一起再封裝成一個(gè)芯片，直接貼片在主機(jī)的主板上，這樣組成的固態(tài)硬盤比現(xiàn)有技術(shù)中的固態(tài)硬盤尺寸小得多，能夠用在手機(jī)以及輕薄的筆記本中。
[0041]本發(fā)明還提供一種對上述固態(tài)硬盤進(jìn)行讀操作的方法，約定一段主機(jī)內(nèi)存空間內(nèi)的邏輯地址作為命令與數(shù)據(jù)傳輸區(qū)，由主機(jī)接口控制器負(fù)責(zé)儲存輸入輸出數(shù)據(jù)或把該段邏輯地址映射到MRAM的一個(gè)區(qū)域，包括以下步驟:
[0042](I)主機(jī)CPU發(fā)出讀NAND頁的指令，向命令與數(shù)據(jù)傳輸區(qū)寫入所需讀的NAND頁地址；
[0043](2)集成MRAM的固態(tài)硬盤控制芯片內(nèi)，主機(jī)接口控制器將讀指令和NAND