19nm閃存PCIe SSD

　　以 NAND閃存為基礎的固態磁盤（SSD）技術與傳統的機械驅動器存儲系統相比，吞吐量更高，功耗更低。為此，SSD使用量在過去十年迅速增加，從手持設備到筆記本、臺式機，現在又進軍企業級存儲設備市場。企業級存儲行業對基于串行高級技術附件（SATA）標準的SSD的采用進一步加速了這一快速擴展勢頭。

　　但是，在SSD制造商期望通過使用19nm閃存將下一代系統的性能和密度推上新高度的時候，SATA并沒有跟上。即便是最新的版本（SATA 3.0），6Gbps物理接口也難以滿足SSD NAND閃存陣列的最高吞吐量，因此存在性能利用不足的問題。

　　為了突破接口瓶頸，基于PCI Express的SSD正在給市場帶來重大影響。PCIe是業界標準本地總線，性能和擴展能力均優于SATA。它采用多信道高速串行鏈路，可支持1至16 個信道，每個信道的運行速率高達8Gbps（Gen1為2.5Gbps，Gen2為5Gbps，Gen3為8Gbps）。SSD的PCIe接口可支持數 GB的吞吐量，并可為NAND閃存技術的發展提供更富足的帶寬余量。

　　然而，用19nm閃存開發基于PCIe的SSD系統面臨著一系列的挑戰。與SATA相比，PCIe接口要求更多的高速串行鏈路和更復雜的互聯。對吞吐量的需求則要求PCIe直接存儲器存取（DMA）以千兆字節帶寬運行。另外，采用19nm工藝，閃存的可靠性或者更具體地說“磨損（wear）”（NAND在遇到錯誤之前能讀取或者寫入的次數）指標也是一個日益嚴峻的問題。采用19nm工藝，制造商必須以比以往更快的速度完成磨損平衡（wear leveling）和糾錯。

　　賽靈思（Xilinx）公司Kintex-7 FPGA以不到前一代FPGA一半的成本為FPGA設立了新的高性能基準。Kintex-7系列是賽靈思采用臺積電（TSMC）高性能低功耗（HPL）28nm工藝技術生產的四大產品線之一，旨在實現最大能效。與前代產品相比，其性價比提高了兩倍，而功耗降低了50%。Kintex-7 FPGA采用高密度邏輯、高性能收發器、存儲器、DSP，以及靈活混合信號技術，所有這一切讓系統級性能和集成度邁上新高。這些功能能夠讓設計以批量價格不斷實現創新和差異化。因此，賽靈思Kintex-7系列FPGA是19nm閃存PCIe SSD控制器的理想選擇。

　　圖1所示的是北京憶恒創源科技有限公司（Memblaze）的SSD控制器架構，它由三個以高速AXI4總線相連的子系統組成。PCIe SG-DMA子系統包含Kintex FPGA硬核，負責在主機和SSD數據緩存之間分散和采集數據（SG代表分散（Scatter）和采集（Gather））。CPU子系統負責管理外設和執行SSD存取命令，而存儲子系統則負責運用多通道NAND控制器、糾錯碼（ECC）模塊和磨損平衡模塊處理SSD扇區數據。這三個子系統共享帶ECC功能的2GB DDR3 SDRAM。采用賽靈思存儲器接口生成器（MIG）工具可以很容易地生成ECC DDR3 SDRAM控制器。

　　圖1：針對19nm NAND閃存PCIe SSD的Kintex-7SoC解決方案由三個子系統組成：CPU、存儲和PCIe SG-DMA

　　該設計中使用7系列PCIe硬核實現物理至TLP層，讓設計能夠以最低的時延發揮高性能PCIe端點的功能。支持ARM AXI4互聯的新型嵌入式MicroBlaze核可以徹底消除片上總線的瓶頸。DDR硬核為磁盤高速緩存提供了51.2Gbps ECC解決方案。同時，使用低功耗邏輯資源能夠方便地運行高性能磨損平衡和智能ECC算法。另外，豐富的高性能I/O資源為19nm NAND閃存陣列的互聯提供了方便。