闪存控制器有助于确保工业闪存驱动器的使用寿命

作者：Lena Harman，Hyperstone GmbH

虽然消费市场追求最新、最出色的高性能 SSD，但可靠性重于性能的工业市场仍在使用几十年前推出的 CompactFlash 外形尺寸。但几十年前的外形尺寸不一定必须使用过时的技术。闪存转换层 (FTL) 和映射算法、磨损均衡和纠错编码 (ECC) 方面的进步已使其成为为 CompactFlash 卡设计的最新控制器，它们允许这些旧形式因素使用最新的、更具成本效益的闪存设备并提供更大的容量。

经久不衰的遗产CompactFlash 于 1994 年首次推出，经过多次迭代和改进，即使在 23 年后的今天，它仍然具有重要意义。Compact Flash 与 PCMCIA 和 IDE 接口兼容，自 1990 年代以来一直被用作将闪存集成到大容量存储系统中的一种简单方法。虽然今天的客户端和企业存储设备主要使用基于 SATA 和 PCIe 的接口，而不是 PCMCIA 和 IDE，但 CompactFlash 和 PATA 在工业市场上仍然占有重要地位。CompactFlash 还广泛用于佳能和尼康的顶级数码单反 (DSLR) 相机，以及网络路由器和工业设备。

CompactFlash 经久不衰的秘诀是什么？简而言之，CompactFlash 提供了一种易于使用、可拆卸、耐用的闪存驱动器。凭借其坚固的外壳，它比与之竞争的薄而脆弱的 SD 卡更重，但也更坚固。此外，与传统的 2.5 英寸 PATA、SATA 或当今的 M.2 PCIe 闪存驱动器不同，CompactFlash 设计为可重复安装和拆卸。无需任何培训，操作员就可以关闭路由器或工业设备上的闪存驱动器以升级其固件或复制其内容。与传统的硬盘驱动器外形不同，没有单独的电源线可供摸索，因为电源是通过引脚提供的。

CompactFlash 驱动器的坚固机身使其比 SD 卡格式更适合粗糙的工业应用。（来源：闪迪）

当今的 CompactFlash CompactFlash 的用途可分为传统应用程序和现代应用程序。在遗留系统中，CompactFlash 驱动器被用作第一代闪存存储设备或替代硬盘驱动器。这些旧系统通常不需要（也不能利用）更快的速度；他们只需要一个稳定的存储解决方案和可靠的替代品来源。

对于这些系统，产品寿命比原始性能更重要。虽然消费产品的生命周期通常以月为单位来衡量，但工业存储需要保持使用状态，并且供应商可以使用数年甚至数十年。因此，对于这些系统，存储解决方案需要长期保持一致的接口和操作特性。提供此接口的关键组件是 Flash 控制器，因此 Hyperstone 的 F2 Flash 控制器等设备已经生产了 15 年并且还在不断增加，对设计师来说是最有意义的。

然而，尽管接口和操作特性需要长期一致，但 CompactFlash 驱动器不必因早期闪存设备设计的所有限制而卡在时间上。现代 CompactFlash 驱动器可以提供与当今 SATA 驱动器相媲美的性能、容量、安全性和可靠性，同时仍然提供传统 CompactFlash 的坚固性以及易于安装和拆卸的特性。这是可能的，因为像 Hyperstone 的 F9 系列这样的高级 CF 控制器为设计人员提供了许多功能来帮助利用现代闪存技术。

Hyperstone F9 系列等高级 CF 控制器支持在工业应用中使用现代闪存设备。

增强的磨损均衡 这些关键特性之一是增强的磨损均衡。使用寿命是工业闪存驱动器的重要因素，并且由于闪存设备的写入周期数有限，因此提高耐用性可以显着降低维护成本并延长工业设备的使用寿命。CF 控制器用于延长使用寿命的主要机制是磨损均衡。通过分散驱动器周围的磨损而不是重复写入相同的位置，可以实现 SSD 的最长使用寿命。

基于页面的映射 FTL 第二个关键的新特性涉及闪存转换层 (FTL)，它将逻辑存储（文件名）映射到物理设备位置。所有闪存存储系统都需要将文件系统访问映射到物理闪存访问，但大多数可移动闪存驱动器，尤其是较旧的闪存驱动器，都以所谓的基于块的映射方法映射数据。这种相对大粒度的映射比其他方法更容易实现，而且过去 Flash 块的大小相对较小，因此基于块的映射开销是可以接受的。

然而，基于块的映射在今天远非理想，因为闪存设备容量急剧增加，导致更大的块大小导致耐久性问题。虽然在细节上很复杂，但简而言之，基于块的映射会由于重新映射活动而导致频繁的块擦除，即使系统实际上只写入了少量数据。这被称为“高写入放大”，结果是更大的设备磨损。

较新的 Flash 控制器技术，如Hyperstone 的hyMap，以更细粒度的级别执行数据访问，比块甚至页面还小。这是一种更复杂的方法，需要闪存控制器进行更多处理，但它可以显着延长驱动器的使用寿命。通过在这个更细粒度的级别映射（并因此操纵）数据，可以避免快速驱动器磨损并大大提高耐用性。

基于页面的映射 FTL，以及与最新闪存技术兼容的现代 BCH 纠错，允许在 CompactFlash 驱动器中使用更高容量和更低成本的 MLC 或 3D NAND，即使在工业应用中也是如此。反过来，这种使用更新、更高密度闪存的能力不仅提高了容量，而且还允许更高吞吐量的设备。然而，一个缺点是闪存编程时间增加了，速度变慢了，特别是对于小型数据写入操作。但同样，控制器和接口技术的进步以及缓冲区空间的增加已经弥补了这一不足，使工业级 CompactFlash 卡能够达到 120-MB/s 的读/写速度。

无 DRAM 操作 现代 CF 控制器的另一个特性与数据缓冲有关。SSD 通常使用临时缓冲区来存储它们的映射数据和固件表，例如，注意闪存的哪些块已被擦除以及擦除了多少次。大多数 SSD 会将此信息临时存储在 DRAM 等易失性存储器中。然而，这会带来很大的可靠性风险；在错误的时间发生电源故障可能会删除这个重要的元数据。

因此，使用 DRAM 缓冲器的工业 SSD 需要强大的电源保护。一些 SSD 使用超级电容器作为备用电源，但这是一种昂贵的方法，并且电容器可能会随着时间的推移而失效。更好的方法是通过将映射信息完全存储在非易失性存储器中来避免 DRAM 及其对备用电源的需求。通过将映射信息存储在易失性 DRAM 之外，驱动器可以防止由于电源故障而导致严重的数据丢失。结合基于事务的日志，驱动器可以确保数据始终成功写入闪存并保持映射表的一致性。

除了失败的风险和降低的稳健性之外，使用 DRAM 还带来了重大的采购风险。DRAM 历来遭受的快速产品生命周期和不稳定的供应也可能导致 SSD 更快过时和更高的价格波动。

健康监测 现代 CF 卡还允许使用自我监测、分析和记录技术 (SMART) 对闪存驱动器进行健康监测。支持 SMART 的操作系统可以检查备用块计数、块擦除计数、写入的逻辑块地址 (LBA) 总数以及其他重要的驱动器健康信息。这使用户可以在使用驱动器时监控其使用寿命，并在其使用寿命结束前进行更换。

工业耐用性虽然消费者和企业应用程序转向其他形式因素，但 CompactFlash 仍然存在于许多传统和现代工业应用程序中。从电信塔到网络路由器再到工业设备，CompactFlash 坚固且易于安装的特性使其经久不衰。今天，CompactFlash 驱动器可以满足传统要求，同时利用最先进的技术。最新的 CompactFlash 控制器能够创建具有比以往更好的性能和可靠性特性的快速、大容量驱动器。有时老狗可以学习新技巧。

Lena Harman 在 Hyperstone 负责数字营销、在线战略和在线平台优化。她拥有悉尼科技大学的传播学和国际研究双学位。

审核编辑 黄昊宇