從智能手機(jī)、筆記型電腦、以及與各種云端應(yīng)用相關(guān)的服務(wù)器，快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存已經(jīng)在我們的現(xiàn)實(shí)世界中無處不在?？扉W存儲(chǔ)器技術(shù)已經(jīng)如此普遍，我們大多數(shù)人甚至都沒有意識到快閃存儲(chǔ)器技術(shù)本質(zhì)上并不是一種可靠的儲(chǔ)存媒介。實(shí)際上，快閃存儲(chǔ)器單元的使用壽命有限，快閃存儲(chǔ)器的特性意味著需要強(qiáng)大的磨損平衡(Wear-Leveling)技術(shù)以便使其有更好的性能表現(xiàn)。

業(yè)界的好消息是，現(xiàn)代快閃存儲(chǔ)器控制器中的磨損平衡技術(shù)已經(jīng)有顯著進(jìn)步，能夠克服快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存介質(zhì)固有的弱點(diǎn)，并幫助發(fā)揮出快閃存儲(chǔ)器的優(yōu)勢。對于現(xiàn)代快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器系統(tǒng)而言，控制器的選擇比快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器本身更加重要，借由選擇合適的快閃存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行應(yīng)用，可以提升系統(tǒng)的耐用性和可靠性。

這對于終端用戶和設(shè)備制造商來說是項(xiàng)重大的裨益，因?yàn)橹灰x用合適的高品質(zhì)控制器，低成本、高容量、多級單元的MLC快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器就可以大幅使用在更關(guān)鍵的應(yīng)用中。

由于當(dāng)今接觸到的所有電子設(shè)備幾乎都在使用快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器，我們很容易忘記這項(xiàng)技術(shù)本身其實(shí)是一種苛求完美的媒介，面臨許多可靠性的挑戰(zhàn)。

P/E次數(shù)有限為最大挑戰(zhàn)雖然快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存單元可讀取接近無限次數(shù)，但是它們被編程或擦除(P/E)的次數(shù)卻很有限?？扉W存儲(chǔ)器被編程或擦除的耐久性取決于快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器的類型，一般來說，對于SSD或eMMC等大多數(shù)采用NAND快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存設(shè)備而言，其中所使用的是商用MLC型快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器，通常每個(gè)單元只有數(shù)千個(gè)編程或擦除周期。

盡管快閃存儲(chǔ)器在讀取時(shí)沒有太多問題，但快閃存儲(chǔ)器寫入過程的涉入程度更高?？扉W存儲(chǔ)器可以在頁面級寫入，大小以千位元為單位。數(shù)據(jù)在正確寫入之前，頁面必須要維持凈空。不幸的是，快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器每次只能擦除一個(gè)區(qū)塊，其大小為百萬位元。因此，寫入快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器之前首先需要擦除包含頁面在內(nèi)的大區(qū)塊存儲(chǔ)器。由于更新快閃存儲(chǔ)器某個(gè)單元就必須更新區(qū)塊中的所有單元，如此將縮短總體使用壽命。此過程通常被稱為寫入擴(kuò)增(Write AmplificaTIon)。

為了減少快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器單元的磨損，所有快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存設(shè)備必須使用磨損平衡技術(shù)。這些技術(shù)旨在驅(qū)動(dòng)器上均勻地分散磨損，以最大幅度提高系統(tǒng)的耐久性。在DRAM、SRAM或未使用的快閃存儲(chǔ)器單元中的臨時(shí)緩沖區(qū)都可用來跟蹤驅(qū)動(dòng)器下一步要寫入的位置以及需要擦除的舊位置。

快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)主要問題是電源故障保護(hù)。臨時(shí)緩沖區(qū)包含驅(qū)動(dòng)器下一步應(yīng)該寫入的數(shù)據(jù)以及必須擦除的舊位置等訊息，這些訊息儲(chǔ)存在容易流失的存儲(chǔ)器中，在此情況下，突然斷電會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)被擦除，使得傳送數(shù)據(jù)失敗造成災(zāi)難性的損失。

隨著光刻制程尺寸的降低以及快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存器密度和性能的提高，影響快閃存儲(chǔ)器可靠性的最后一個(gè)問題是不斷增加的錯(cuò)誤數(shù)量。最初的快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器使用單級單元(SLC)快閃存儲(chǔ)器，其中每個(gè)單元儲(chǔ)存一位元，但現(xiàn)代快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器通常將一個(gè)快閃存儲(chǔ)器單元分成多個(gè)位元，即MLC/TLC快閃存儲(chǔ)器。每個(gè)物理單元支持更多字節(jié)以增大儲(chǔ)存密度，但是會(huì)降低每個(gè)字節(jié)開/關(guān)狀態(tài)之間的閾值。這不僅會(huì)增大誤碼率，而且降低使用壽命。隨著光刻制程尺寸的減小，快閃存儲(chǔ)器密度會(huì)進(jìn)一步提高，錯(cuò)誤率也會(huì)增大。

高級控制器技術(shù)提升可靠度盡管快閃存儲(chǔ)器儲(chǔ)存可靠性面臨著上述挑戰(zhàn)，但我們?nèi)匀荒軌驅(qū)⑵溆糜谌粘５南M(fèi)類、商業(yè)類甚至關(guān)鍵任務(wù)性的應(yīng)用，這方面主要得益于先進(jìn)的快閃存儲(chǔ)器控制器技術(shù)。這些控制器結(jié)合了在磨損平衡、電源故障管理和糾錯(cuò)等方面的先進(jìn)技術(shù)，使我們能夠安全可靠地使用當(dāng)今的高密度快閃存儲(chǔ)器。

磨損平衡快閃存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)換層(FTL)是快閃存儲(chǔ)器控制器其中最重要的面向。透過將主機(jī)的邏輯位址轉(zhuǎn)換為快閃存儲(chǔ)器上的物理位址，可以使SSD磨損平衡。例如，如果主機(jī)系統(tǒng)在相同的位址更新數(shù)據(jù)，F(xiàn)TL會(huì)將該邏輯位址轉(zhuǎn)換為新的物理位址，以便在快閃存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器上均勻地分布磨損，大幅度地提高耐用性。

FTL映射邏輯到物理位址的粒度對性能和耐久性都有很大的影響。消費(fèi)類USB和SD卡等較簡單的快閃存儲(chǔ)器介質(zhì)使用基于區(qū)塊的映射，在區(qū)塊層級(大小為百萬位元)執(zhí)行映射。由于每個(gè)邏輯頁面都直接映射到固定的物理頁面，磨損平衡發(fā)生在區(qū)塊層級，因而在頁面層級無法產(chǎn)生優(yōu)化。

由于區(qū)塊的尺寸就是擦除操作的最小尺寸，所以這種映射實(shí)施起來非常簡單且負(fù)擔(dān)較低。但是，這種簡單的方法會(huì)導(dǎo)致大量的寫入擴(kuò)增，并縮短了元件的使用壽命。

基于頁面的映射通常用于現(xiàn)代SSD，它是將更細(xì)粒度的邏輯數(shù)據(jù)頁面(以千位元為單位)映射到數(shù)據(jù)的物理頁面。透過這種映射，邏輯頁面可以映射到區(qū)塊內(nèi)的任何物理頁面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊級和頁面級的磨損平衡。但是，對于其他形態(tài)因數(shù)，SSD基于頁面的映射尚未被廣泛使用。