監(jiān)督成本| eMMC NAND閃存技術(shù)和用例需求

 

ODI最近對(duì)較舊的Teslas Model S和Model X車輛提出的信息要求突顯了工作負(fù)載疏忽，其中基于NVIDIA Tegra 3處理器和集成8GB eMMC NAND閃存的主控制單元（MCU）遇到了問題。當(dāng)引入新的固件更新為電動(dòng)汽車（EV）帶來附加功能時(shí)，問題變得更加復(fù)雜。這充當(dāng)進(jìn)一步激發(fā)NAND閃存磨損進(jìn)度的燃料。盡管在一開始固件不是問題，并且記錄的數(shù)據(jù)具有足夠的內(nèi)存來處理工作量，但每次固件升級(jí)都帶來了新功能，從而減少了每次更新的存儲(chǔ)空間。應(yīng)ODI的信息請(qǐng)求，特斯拉列出了2,399項(xiàng)投訴和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告，7,777項(xiàng)保修索賠以及4,746項(xiàng)與MCU替換方案有關(guān)的非保修索賠。倒車時(shí)，故障的MCU導(dǎo)致后置攝像頭圖像顯示遺失。隨著NAND閃存全部耗盡，駕駛員不能再使用車輛的某些功能，例如HVAC（除霧），與ADAS相關(guān)可聽得見的提示音，自動(dòng)駕駛儀和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈，嚴(yán)格地來說盡管車主仍然可以駕駛車輛，但不能再充電，使汽車無法運(yùn)行。

 

eMMC模塊因?yàn)槭且訬AND閃存技術(shù)為基礎(chǔ)而具有預(yù)定的使用壽命。它們具備有限的程序/擦除（P/E）周期，即使公司最初按照這些規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，他們也必須預(yù)見到同一系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移必須應(yīng)對(duì)不斷增加的工作負(fù)載挑戰(zhàn)。最后，這問題有三個(gè)方面。缺乏對(duì)NAND閃存技術(shù)的了解，以及對(duì)更加復(fù)雜和多面的用例了解，并且假設(shè)驅(qū)動(dòng)器的使用期限完全取決于NAND閃存技術(shù)–而不是正在使用的閃存控制器。

 

了解NAND閃存技術(shù)

 

根據(jù)特斯拉維修專家的說法，由于eMMC中的NAND閃存單元結(jié)構(gòu)，在較舊的Model S和X組件中發(fā)現(xiàn)的基于嵌入式NAND的eMMC磨損。在一定程度上是對(duì)的。不同類型的NAND閃存技術(shù)具有不同（但始終是有限的）的P/E周期數(shù)或他人所稱的“寫入周期”。

 

SLC NAND閃存技術(shù)大約10萬次P/E周期

MLC NAND閃存技術(shù)大約10 000-3500 P/E周期

TLC NAND閃存技術(shù)大約3000個(gè)P/E周期

QLC NAND閃存技術(shù)大約1000-100次P/E周期

這意味著一旦這些周期用完，驅(qū)動(dòng)器將再也無法可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)特斯拉的報(bào)告，Hynix單元“針對(duì)eMMC中每個(gè)NAND閃存塊，額定3,000個(gè)編程/擦除周期”。

 

要了解NAND閃存單元為何總是具備有限的P/E周期，必須了解其基礎(chǔ)技術(shù)。NAND閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器（NVM）技術(shù)，它通過電荷陷阱技術(shù)或浮柵MOSFET晶體管將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在制成的存儲(chǔ)單元陣列中。通過在晶體管的控制柵極上施加高電壓，同時(shí)將源極和漏極接地，溝道中的電子可以獲得足夠的能量來克服氧化物勢(shì)壘，并從溝道移入浮柵。在浮柵中捕獲電子的過程是閃存設(shè)備的編程（或“寫入”）操作，該操作對(duì)應(yīng)于邏輯位0。相反，擦除操作從浮柵中提取電子，從而切換存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)NAND閃存單元磨損，因?yàn)榫幊毯筒脸芷谧罱K會(huì)損壞浮柵和基板之間的隔離層。這減少了數(shù)據(jù)保留，并可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或意外編程的單元。

 

了解用例的工作負(fù)載

 

特斯拉電動(dòng)汽車對(duì)于任何存儲(chǔ)應(yīng)用都是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境，這不僅是因?yàn)槠囐|(zhì)量對(duì)溫度和功能安全性的要求，而且因?yàn)槊枯v汽車的使用方式都不同。在這種情況下，eMMC模塊會(huì)受到每日行駛時(shí)間，每日充電時(shí)間，每日音樂流式傳輸時(shí)間以及一系列其他因素的影響。此外，極其重要的功能和特性取決于MCU能夠可靠地執(zhí)行其工作。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的eMMC具有非常獨(dú)特的工業(yè)級(jí)工作負(fù)載，只有使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的高質(zhì)量閃存控制器才能適當(dāng)取得。

 

特斯拉認(rèn)為“以每塊0.7的額定每日P/E周期使用率計(jì)算，在設(shè)備中每塊平均獲得3,000個(gè)P/E周期需要11到12年的時(shí)間，以每塊 1.5的每日P/E周期使用速率的第95個(gè)百分位，在設(shè)備中平均累積3,000個(gè)P/E周期需要5到6年時(shí)間。”歸根結(jié)底，復(fù)合固件更新的苛刻性質(zhì)使這些驅(qū)動(dòng)器比預(yù)期還早崩潰。這就引出了一個(gè)問題，為什么這些MCU這么早崩潰？

 

了解NAND閃存控制器的作用

 

閃存控制器在高端存儲(chǔ)系統(tǒng)中的作用常被忽略。在NAND閃存經(jīng)常引起關(guān)注的地方，許多人忽視了評(píng)估控制器在管理其應(yīng)用程序方面的真實(shí)能力，而所選閃存則預(yù)定義了P/E周期。盡管閃存技術(shù)在定義驅(qū)動(dòng)器的使用壽命方面起著重要作用，但所選的控制器應(yīng)掩蓋閃存的所有固有缺陷，從而延長(zhǎng)其使用壽命，確保不會(huì)出現(xiàn)任何故障設(shè)備或數(shù)據(jù)損壞。

 

例如，閃存控制器可以針對(duì)任何特定的存儲(chǔ)設(shè)備執(zhí)行最佳類型的糾錯(cuò)編碼（ECC），完全取決于所選NAND閃存的特性以及控制器中可用的處理性能。在不同類型的NAND閃存中，不同類型的錯(cuò)誤也更為常見，例如多層單元（MLC）中更容易出現(xiàn)讀取干擾錯(cuò)誤，而其他控制器功能（如損耗均衡）和垃圾回收的時(shí)間也會(huì)受到NAND閃存中過度配置的影響。因此，控制器需要仔細(xì)匹配NAND閃存的特性，如果忽略這一點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)器在預(yù)測(cè)的時(shí)間之前提早崩潰也就不足為奇了。這是一項(xiàng)昂貴的疏忽，選擇正確的閃存控制器是設(shè)計(jì)高效可靠的存儲(chǔ)系統(tǒng)（如eMMC模塊）必不可少的一個(gè)部分。

 

歸根結(jié)底，在工業(yè)中–故障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)損壞不像在其他市場(chǎng)中那樣被接受，因?yàn)槠谕麎勖凸收铣杀靖鼮榧鼻?。像eMMC模塊這樣的存儲(chǔ)系統(tǒng)需要針對(duì)其獨(dú)特的工作負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾恚员苊庠谄涮囟I(lǐng)域發(fā)生故障。最后，閃存控制器在掩飾所選NAND閃存技術(shù)的缺陷方面起著非常重要的作用，應(yīng)被視為核心組件，而不僅僅是NAND閃存的支援。