基于嵌入式STT‑MRAM的SSD控制器芯片、固态硬盘制造技术

本发明专利技术公开了一种基于嵌入式STT‑MRAM的SSD控制器芯片、固态硬盘，包括前端协议接口、闪存接口和闪存转换层FTL，所述SSD控制器芯片还包括嵌入的非易失性存储器STT‑MRAM，所述STT‑MRAM与前端协议接口、闪存接口、闪存转换层FTL通过数据总线连接，所述STT‑MRAM用于接收前端协议接口下发的数据进行缓存，并存储闪存转换层FTL映射表项。本发明专利技术的固态硬盘包括所述的控制器芯片。本发明专利技术极大地简化SSD的控制器架构设计，在PCB板上能够留取更大的空间能够支撑更多的闪存芯片放置，达成大容量的设计需求。

Embedded STT MRAM SSD controller chip, based on solid state disk

The invention discloses an embedded STT MRAM SSD controller chip, based on SSD, including front-end protocol interface, flash memory interface and flash translation layer FTL, the SSD controller chip includes a non-volatile memory STT embedded MRAM, the STT MRAM and front-end protocol interface, interface, flash FTL flash translation layer connected by a data bus, the STT MRAM for the data receiver front-end protocol interface under the cache, and memory flash translation layer FTL mapping table. The solid state hard disk of the invention comprises the controller chip. The invention greatly simplifies the design of the controller structure of the SSD, and can save more space on the PCB board, can support more flash memory chip placement, and achieve large capacity design requirements.

【技术实现步骤摘要】
基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固态硬盘
本专利技术属于芯片设计
，尤其涉及一种基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固态硬盘。
技术介绍
固态硬盘SSD(SolidStateDrives)由控制器和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。随着基于NANDFlash介质的SSD成本的下降，随着云计算和数据中心的发展，加上NANDFlash工艺的进步，近年来，企业级SSD在服务器，数据中心领域的应用越来越广泛。现有技术的SSD的内部结构如图1所示，在一块基板PCB上，主要包括控制器芯片、缓存芯片(DRAM)和闪存芯片(NANDFlash)。其中控制器芯片如图2所示，包括前端协议接口(InterfaceProtocolIP)、闪存接口(NANDFlashInterface)、以及DDR物理接口(DDRPHY)和DDR控制器(DDRController)、闪存转换层FTL(Flashtranslationlayer)。当前，企业级SSD的控制器架构设计中，为了支持大容量的需求，闪存转换层FTL(Flashtranslationlayer)的存储量越来越巨大，比如为了支撑大容量如16T的需求，SSD控制器对应的DRAM的容量需要至少16GB以上。如此大容量的DRAM，导致SSD在设计上出现如下的问题：SSD的PCB的空间有限，为了放置大容量的DRAM芯片，PCB板上用来贴闪存芯片的空间将会变少，本身就制约着SSD的大容量的设计需求；由于DRAM内部存储着SSD控制器的最核心内容(FTL表项)，因此在遭遇掉电异常时，需要把DRAM内部的FTL表下刷至NANDFLASH中，因此在备电设计上，需要消耗数量巨大的贴片式钽电容来提供备电能量，导致PCB上的可用空间会进一步缩小，同样也制约着SSD的大容量设计需求。业内常用的方案是用外接DRAM颗粒来存储FTL表项，采用外挂DRAM，在芯片内部需要额外的DDRPHY和DDRcontrollerIP进行适配，在板级设计上，需要额外的PCB空间来贴DRAM颗粒，因此对于成本的消耗和设计的难度影响很大，尤其是对于消费级SSD领域，这种方案基本上很难满足低成本的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固态硬盘，以避免
技术介绍
中因外接DRAM所带来的技术问题，极大地简化SSD的控制器架构设计。为了实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片，包括前端协议接口、闪存接口和闪存转换层FTL，所述SSD控制器芯片还包括嵌入的非易失性存储器STT-MRAM，所述STT-MRAM与前端协议接口、闪存接口、闪存转换层FTL通过数据总线连接，所述STT-MRAM用于接收前端协议接口下发的数据进行缓存，并存储闪存转换层FTL映射表项。进一步地，所述STT-MRAM还用于存储固件Firmware，支持固件Firmware在线升级。本专利技术还提出了一种固态硬盘，所述固态硬盘包括PCB板以及位于所述PCB板上的闪存芯片，其特征在于，所述PCB板上还设置有上述的基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片。本专利技术提出的一种基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固态硬盘，在SSD控制器芯片中嵌入STT-MRAM，利用嵌入式STT-MRAM来存储FTL表项，替代传统技术中外接的DRAM，极大地简化SSD的控制器架构设计。另外，由于省去了贴片式钽电容，在PCB板上能够留取更大的空间能够支撑更多的NANDFLASH放置，达成大容量的设计需求。除此之外，简化了控制器芯片内部的DDR接口相关IP设计，利用嵌入式STT-MRAM的内部总线接口，既简化了设计难度，又能够提高板上走线延时带来的对于DDR高速信号的影响。附图说明图1为现有技术固态硬盘电路板结构示意图；图2为现有技术SSD控制器连接框架示意图；图3为本专利技术SSD控制器芯片的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本专利技术的限定。现有技术如图2所示，控制器芯片包括前端协议接口(InterfaceProtocolIP)、闪存接口(NANDFlashInterface)、以及DDR物理接口(DDRPHY)和DDR控制器(DDRController)、闪存转换层FTL(Flashtranslationlayer)。前端协议接口主要负责接收和处理主机侧下发的读写命令并将数据接收下来存到DRAM中，对性能要求高的场景基本上选用基于NVMe协议的PCIeGEN3的接口，除此之外，SAS12G和SATA接口也是当前SSD前端协议接口的主流协议。闪存接口主要负责处理跟闪存芯片的数据与命令交换，负责把主机侧的读写命令转化成兼容ONFI和Toggle的标准NAND接口命令，并在闪存芯片和DRAM之间做数据的读写交互。控制器芯片通过DDR控制器、DDR物理接口与外接的DRAM芯片进行通信，外挂DRAM芯片主要有两个方面，一方面作为读写数据的缓存，另一方面是存取FTL映射表。读写数据的缓存和FTL映射表这两块的容量大小之和，在企业级SSD领域普遍超过4GB以上，且带宽要求很高，超过4GB/s。为了满足此类设计需求，芯片设计中为了适配DDR协议，需要开发DDRController和DDRPHY进行适配，PCB上还要预留额外的空间进行DRAM芯片的排布以及高速信号布局布线。现有技术控制器芯片中的FTL主要处理主机下发的逻辑区块地址LBA到闪存芯片里存储的物理区块地址PBA之间的映射表，是让闪存完全模拟传统硬盘操作的软件层，有了FTL层，闪存设备才能使用，FTL层的效率直接影响设备的性能表现。目前FTL的主要作用包括下面几点：逻辑和物理地址的映射(Mapping)；垃圾回收的处理(GC)；增量空间的供给(OP)；冷/热数据的交换处理；Plane、芯片、通道间的并行处理；任务请求的排序；缓冲区的管理；坏块的管理；磨损平衡的处理；掉电恢复的处理；ECC的处理。同时，在固态硬盘SSD的PCB板上，除了控制器芯片和大量的闪存芯片之外，还包括备电电容(ElectricalCapacity)，其作用是为了能够在意外掉电的情况，能够及时地把DRAM芯片中存储的FTL表项，在备电电容电量的支撑下，能够安全及时地下刷至非易失性介质(NANDFLASH)，防止FTL表项丢失引发的数据丢失情况。本专利技术的总体思路是在控制器芯片中嵌入STT-MRAM，用来替代外挂的DRAM芯片，从而省略了控制器芯片中的DDRPHY以及DDRController的布局，并节省了DRAM占用固态硬盘PCB的空间，有利于在PCB板上设置更多的闪存芯片，扩大SSD的容量。如图3所示，本实施例一种基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片，包括前端协议接口(InterfaceProtocolIP)、闪存接口(NANDFlashInterface)、闪存转换层FTL(Flashtranslationlayer)、以及非易失性存储器STT-MRAM，STT-MRAM与前端协议接口、闪存接口、闪存转换层FTL通过数据总线(bus)连接。可见，本实施例SSD控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌入式STT‑MRAM的SSD控制器芯片，包括前端协议接口、闪存接口和闪存转换层FTL，其特征在于，所述SSD控制器芯片还包括嵌入的非易失性存储器STT‑MRAM，所述STT‑MRAM与前端协议接口、闪存接口、闪存转换层FTL通过数据总线连接，所述STT‑MRAM用于接收前端协议接口下发的数据进行缓存，并存储闪存转换层FTL映射表项。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片，包括前端协议接口、闪存接口和闪存转换层FTL，其特征在于，所述SSD控制器芯片还包括嵌入的非易失性存储器STT-MRAM，所述STT-MRAM与前端协议接口、闪存接口、闪存转换层FTL通过数据总线连接，所述STT-MRAM用于接收前端协议接口下发的数据进行缓存，并存储闪存转换层FTL映射表项...

【专利技术属性】
技术研发人员：李炜，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33