本發(fā)明屬于芯片設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固態(tài)硬盤。

背景技術(shù)：

固態(tài)硬盤SSD(Solid State Drives)由控制器和存儲(chǔ)單元(FLASH芯片、DRAM芯片)組成。隨著基于NAND Flash介質(zhì)的SSD成本的下降，隨著云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，加上NAND Flash工藝的進(jìn)步，近年來，企業(yè)級(jí)SSD在服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

現(xiàn)有技術(shù)的SSD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一塊基板PCB上，主要包括控制器芯片、緩存芯片(DRAM)和閃存芯片(NAND Flash)。其中控制器芯片如圖2所示，包括前端協(xié)議接口(Interface Protocol IP)、閃存接口(NAND Flash Interface)、以及DDR物理接口(DDR PHY)和DDR控制器(DDR Controller)、閃存轉(zhuǎn)換層FTL(Flash translation layer)。當(dāng)前，企業(yè)級(jí)SSD的控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了支持大容量的需求，閃存轉(zhuǎn)換層FTL(Flash translation layer)的存儲(chǔ)量越來越巨大，比如為了支撐大容量如16T的需求，SSD控制器對應(yīng)的DRAM的容量需要至少16GB以上。如此大容量的DRAM，導(dǎo)致SSD在設(shè)計(jì)上出現(xiàn)如下的問題：

SSD的PCB的空間有限，為了放置大容量的DRAM芯片，PCB板上用來貼閃存芯片的空間將會(huì)變少，本身就制約著SSD的大容量的設(shè)計(jì)需求；

由于DRAM內(nèi)部存儲(chǔ)著SSD控制器的最核心內(nèi)容(FTL表項(xiàng))，因此在遭遇掉電異常時(shí)，需要把DRAM內(nèi)部的FTL表下刷至NAND FLASH中，因此在備電設(shè)計(jì)上，需要消耗數(shù)量巨大的貼片式鉭電容來提供備電能量，導(dǎo)致PCB上的可用空間會(huì)進(jìn)一步縮小，同樣也制約著SSD的大容量設(shè)計(jì)需求。

業(yè)內(nèi)常用的方案是用外接DRAM顆粒來存儲(chǔ)FTL表項(xiàng)，采用外掛DRAM，在芯片內(nèi)部需要額外的DDRPHY和DDR controller IP進(jìn)行適配，在板級(jí)設(shè)計(jì)上，需要額外的PCB空間來貼DRAM顆粒，因此對于成本的消耗和設(shè)計(jì)的難度影響很大，尤其是對于消費(fèi)級(jí)SSD領(lǐng)域，這種方案基本上很難滿足低成本的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固態(tài)硬盤，以避免背景技術(shù)中因外接DRAM所帶來的技術(shù)問題，極大地簡化SSD的控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片，包括前端協(xié)議接口、閃存接口和閃存轉(zhuǎn)換層FTL，所述SSD控制器芯片還包括嵌入的非易失性存儲(chǔ)器STT-MRAM，所述STT-MRAM與前端協(xié)議接口、閃存接口、閃存轉(zhuǎn)換層FTL通過數(shù)據(jù)總線連接，所述STT-MRAM用于接收前端協(xié)議接口下發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并存儲(chǔ)閃存轉(zhuǎn)換層FTL映射表項(xiàng)。

進(jìn)一步地，所述STT-MRAM還用于存儲(chǔ)固件Firmware，支持固件Firmware在線升級(jí)。

本發(fā)明還提出了一種固態(tài)硬盤，所述固態(tài)硬盤包括PCB板以及位于所述PCB板上的閃存芯片，其特征在于，所述PCB板上還設(shè)置有上述的基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片。

本發(fā)明提出的一種基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片、固態(tài)硬盤，在SSD控制器芯片中嵌入STT-MRAM，利用嵌入式STT-MRAM來存儲(chǔ)FTL表項(xiàng)，替代傳統(tǒng)技術(shù)中外接的DRAM，極大地簡化SSD的控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，由于省去了貼片式鉭電容，在PCB板上能夠留取更大的空間能夠支撐更多的NAND FLASH放置，達(dá)成大容量的設(shè)計(jì)需求。除此之外，簡化了控制器芯片內(nèi)部的DDR接口相關(guān)IP設(shè)計(jì)，利用嵌入式STT-MRAM的內(nèi)部總線接口，既簡化了設(shè)計(jì)難度，又能夠提高板上走線延時(shí)帶來的對于DDR高速信號(hào)的影響。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)硬盤電路板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)SSD控制器連接框架示意圖；

圖3為本發(fā)明SSD控制器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明，以下實(shí)施例不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。

現(xiàn)有技術(shù)如圖2所示，控制器芯片包括前端協(xié)議接口(Interface Protocol IP)、閃存接口(NAND Flash Interface)、以及DDR物理接口(DDR PHY)和DDR控制器(DDR Controller)、閃存轉(zhuǎn)換層FTL(Flash translation layer)。前端協(xié)議接口主要負(fù)責(zé)接收和處理主機(jī)側(cè)下發(fā)的讀寫命令并將數(shù)據(jù)接收下來存到DRAM中，對性能要求高的場景基本上選用基于NVMe協(xié)議的PCIe GEN3的接口，除此之外，SAS 12G和SATA接口也是當(dāng)前SSD前端協(xié)議接口的主流協(xié)議。閃存接口主要負(fù)責(zé)處理跟閃存芯片的數(shù)據(jù)與命令交換，負(fù)責(zé)把主機(jī)側(cè)的讀寫命令轉(zhuǎn)化成兼容ONFI和Toggle的標(biāo)準(zhǔn)NAND接口命令，并在閃存芯片和DRAM之間做數(shù)據(jù)的讀寫交互?？刂破餍酒ㄟ^DDR控制器、DDR物理接口與外接的DRAM芯片進(jìn)行通信，外掛DRAM芯片主要有兩個(gè)方面，一方面作為讀寫數(shù)據(jù)的緩存，另一方面是存取FTL映射表。讀寫數(shù)據(jù)的緩存和FTL映射表這兩塊的容量大小之和，在企業(yè)級(jí)SSD領(lǐng)域普遍超過4GB以上，且?guī)捯蠛芨?，超過4GB/s。為了滿足此類設(shè)計(jì)需求，芯片設(shè)計(jì)中為了適配DDR協(xié)議，需要開發(fā)DDR Controller和DDR PHY進(jìn)行適配，PCB上還要預(yù)留額外的空間進(jìn)行DRAM芯片的排布以及高速信號(hào)布局布線。

現(xiàn)有技術(shù)控制器芯片中的FTL主要處理主機(jī)下發(fā)的邏輯區(qū)塊地址LBA到閃存芯片里存儲(chǔ)的物理區(qū)塊地址PBA之間的映射表，是讓閃存完全模擬傳統(tǒng)硬盤操作的軟件層，有了FTL層，閃存設(shè)備才能使用，F(xiàn)TL層的效率直接影響設(shè)備的性能表現(xiàn)。目前FTL的主要作用包括下面幾點(diǎn)：

邏輯和物理地址的映射(Mapping)；垃圾回收的處理(GC)；增量空間的供給(OP)；冷/熱數(shù)據(jù)的交換處理；Plane、芯片、通道間的并行處理；任務(wù)請求的排序；緩沖區(qū)的管理；壞塊的管理；磨損平衡的處理；掉電恢復(fù)的處理；ECC的處理。

同時(shí)，在固態(tài)硬盤SSD的PCB板上，除了控制器芯片和大量的閃存芯片之外，還包括備電電容(Electrical Capacity)，其作用是為了能夠在意外掉電的情況，能夠及時(shí)地把DRAM芯片中存儲(chǔ)的FTL表項(xiàng)，在備電電容電量的支撐下，能夠安全及時(shí)地下刷至非易失性介質(zhì)(NAND FLASH)，防止FTL表項(xiàng)丟失引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失情況。

本發(fā)明的總體思路是在控制器芯片中嵌入STT-MRAM，用來替代外掛的DRAM芯片，從而省略了控制器芯片中的DDR PHY以及DDR Controller的布局，并節(jié)省了DRAM占用固態(tài)硬盤PCB的空間，有利于在PCB板上設(shè)置更多的閃存芯片，擴(kuò)大SSD的容量。

如圖3所示，本實(shí)施例一種基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片，包括前端協(xié)議接口(Interface Protocol IP)、閃存接口(NAND Flash Interface)、閃存轉(zhuǎn)換層FTL(Flash translation layer)、以及非易失性存儲(chǔ)器STT-MRAM，STT-MRAM與前端協(xié)議接口、閃存接口、閃存轉(zhuǎn)換層FTL通過數(shù)據(jù)總線(bus)連接。

可見，本實(shí)施例SSD控制器芯片與圖2的現(xiàn)有技術(shù)相比，少了DDR物理接口(DDR PHY)和DDR控制器(DDR Controller)，多了STT-MRAM。

由于STT-MRAM具有接近于SRAM的讀寫速度，極低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，并且具備掉電不易失的特性，是作為SSD控制器中存儲(chǔ)FTL表項(xiàng)的天生優(yōu)良介質(zhì)。本實(shí)施例用STT-MRAM作為嵌入式的Memory，采用內(nèi)部SRAM-like的數(shù)據(jù)地址總線接口，直接集成在SSD的控制器芯片內(nèi)部，取代外接DRAM成為數(shù)據(jù)和FTL表項(xiàng)的存儲(chǔ)介質(zhì)。

STT-MRAM在芯片內(nèi)部采用的數(shù)據(jù)總線是類似SRAM(SRAM-like)的總線接口形式，包括片選CS，寫使能WE，讀使能RE，輸出使能信號(hào)OE，復(fù)位RST，時(shí)鐘CLK，地址線Ax，數(shù)據(jù)線Dx。本實(shí)施例STT-MRAM采用數(shù)據(jù)總線與控制器內(nèi)部其他模塊如前端協(xié)議接口、閃存接口、閃存轉(zhuǎn)換層FTL進(jìn)行交互，能夠極大地減少信號(hào)傳輸延時(shí)以及外部接口協(xié)議開銷。

本實(shí)施例STT-MRAM的作用有如下幾點(diǎn)：

1.接收前端協(xié)議接口下發(fā)的數(shù)據(jù)，作為和后端閃存接口交互的數(shù)據(jù)緩存；

2.存儲(chǔ)閃存轉(zhuǎn)換層(FTL)映射表項(xiàng)；

3.存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)，如有效頁個(gè)數(shù)，壞塊管理等等；

4.用STT-MRAM的部分空間來存放Firmware，可以支撐Firmware固件的在線升級(jí)，節(jié)省NOR Flash資源。

綜上所述，本實(shí)施例控制器芯片的設(shè)計(jì)，具有如下有益效果：

1、省去控制器芯片內(nèi)部額外的DDR控制器和PHY IP的開銷，節(jié)省開發(fā)成本。

2、STT-MRAM直接以SRAM-like數(shù)據(jù)總線嵌入控制器芯片，可以利用STT-MRAM的高讀寫速度5ns/10ns,并能夠減少DDR的高速信號(hào)接口在PCB板上的布線延遲，提高讀寫效率。

3、可以利用STT-MRAM的非易失性，存儲(chǔ)RTL表項(xiàng)以及日志表，F(xiàn)irmware等，大大節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和異常掉電時(shí)的數(shù)據(jù)保護(hù)和系統(tǒng)重建流程。

4、由于簡化了備電設(shè)計(jì)和流程，能夠在設(shè)計(jì)過程中簡化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)和人力成本。

為此，本發(fā)明還提出了一種固態(tài)硬盤，該固態(tài)硬盤采用如圖3所示的基于嵌入式STT-MRAM的SSD控制器芯片。

容易理解的是，采用本發(fā)明的控制器芯片，在SSD的PCB板上不再需要DRAM芯片，因此能夠簡化SSD盤片的PCB的硬件設(shè)計(jì)，節(jié)省大量的貼片式鉭電容，從而增加閃存芯片。根據(jù)某款企業(yè)級(jí)SSD的設(shè)計(jì)方案，在盤片PCB的硬件設(shè)計(jì)中，為了滿足備電的能量要求，一共放置了約500多個(gè)鉭電容，把這些鉭電容全部去除的話，用來貼NAND FLASH的die，至少能夠支撐SSD盤容量提升20％以上。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。