Le nuove opzioni a basso costo rappresentano un'opportunità per i tecnici
Le memorie flash NAND per le applicazioni integrate sono disponibili in vari pacchetti. Se si sta progettando un nuovo prodotto, occorre tenere in considerazione i due tipi di base, chip e moduli. Questi due tipi di prodotto hanno le stesse funzioni, ma prestazioni, potenza e confezioni diverse. Oggi vengono prodotte moltissime opzioni di memorizzazione NAND. Di seguito ne vengono illustrate alcune.
I dispositivi flash a chip dispongono di interfacce seriali SPI o parallele a 8 bit e sono disponibili nella versione NAND o NOR. Inoltre, è possibile scegliere fra NAND SLC e MLC. Di seguito viene illustrata più in dettaglio la conveniente memoria NAND MLC (celle a due o tre bit). Un array flash NAND è organizzato in molti blocchi. Ciascun byte di ogni blocco può essere scritto singolarmente, ma un singolo blocco è la porzione eliminabile più piccola dell'array.
Flash NAND in parallelo MLC
Il modello S34ML08G1 di Spansion (Cypress) rappresenta un ottimo esempio di chip NAND con I/O parallelo x8. Questo chip a 8 Gbit, 3,3 V è disponibile in pacchetti TSOP 12 x 20 a 48 pin o BGA 9 x 11 a 63 sfere e utilizza l'interfaccia ONFI (Open NAND Flash Interface) versione 1.0. Con un costo inferiore a $9, risulta abbastanza conveniente, opera in ambiente con temperature comprese fra -40° to 85° C e presenta un tempo di accesso di 25 µs. L'interfaccia ONFI versione 2.2 è la specifica più comunemente usata oggi per questo tipo di dispositivo ed è stata ratificata nell'ottobre 2009. La versione più recente, ONFI 3 presenta una velocità doppia rispetto a ONFI 2, con 400 M trasferimenti/secondo. La specifica 3.0 è stata commercializzata nel marzo 2011 e utilizza un'alimentazione a 1,8 V. Non sono disponibili molti chip 3.0. Tuttavia, un buon esempio è rappresentato da Micron MT29F128G08CB, un dispositivo ONFI 3.0 a 128 Gbit (16G X 8).
Figura 1: La memoria Spansion utilizza un'interfaccia conforme a ONFI. (Fonte: www.spansion.com)
Memoria flash eMMC
Dalla prima apparizione, la maggior parte degli smartphone e dei tablet hanno utilizzato la memoria flash eMMC. Benché simile ai chip flash NAND utilizzati negli SSD, l'interfaccia eMMC si basa sui bassi consumi, circa metà watt in lettura o scrittura. I dispositivi eMMC sono chip "NAND gestiti" che offrono funzioni di gestione dati e usura non particolarmente interessanti per i tecnici. Più importante ancora, tali chip presentano ECC e una gestione insufficiente dei blocchi.
I dispositivi eMMC sono stai migliorati nel corso degli anni per quanto riguarda la velocità in lettura e scrittura, passando da 104 Mbyte/secondo (eMMC V4.41) a 200 Mbyte/secondo (V4.5) a 400 Mbyte/secondo (V5.0). Gli eMMC si basano su un'interfaccia parallela a 8 bit e il miglioramento delle prestazioni dell'interfaccia sta raggiungendo il limite. Il modello Spansion S40410161B1 eMMC IC a 16 Gbyte è compatibile con la specifica JEDEC 4.51. Utilizza un'alimentazione a 3,3 V VCC e una selezionabile a 1,8V/3,3V VCCQ. Le opzioni del pacchetto includono VFBGA a 153 sfere standard (11,5 x 13 mm, passo della sfera 0,5 mm) e LGBA a 100 sfere (14 x 18 mm, passo della sfera 1,0 mm), di dimensioni superiori.
Figura 2: Memoria Toshiba eMMC V5.1. (Fonte: www.toshiba.com/tai
Toshiba sta producendo come campioni i dispositivi eMMC Versione 5.1 a 16 Gbyte (THGBMBG7D2KBAIL) e 32 Gbyte, a cui seguiranno i prodotti a 64 e 128 Gbyte. Qui sono disponibili altri chip Toshiba eMCC. Micron offre il chip eMMC V4.5 MTFC8GACAANA-4M IT a 8 Gbyte in un pacchetto TBGA a 100 pin. Questo dispositivo opera in ambiente con temperatura compresa fra -40° e 85° C e una tensione di alimentazione compresa fra 2,7 e 3,6 V. In modalità di inattività, il chip consuma solo 180 µA.
Universal Flash Storage
Presto UFS (Universal Flash Storage) prenderà il posto di eMMC. UFS utilizza un'interfaccia PCIe seriale. Sono disponibili versioni a due e quattro canali e le aziende leader in questo settore sono Toshiba e Samsung. Le versioni a due anali offrono una larghezza aggregata di banda di 5,8 Gbit/secondo (~725 Mbyte/secondo), la metà di quelle a quattro canali. UFS offre inoltre un funzionamento duplex (lettura e scrittura allo stesso tempo) e funzioni di inserimento in coda dei comandi. Si tratta di uno standard JEDEC.L'offerta Samsung sarà disponibile nelle versioni a 128, 64 e 32-Gbyte. Tuttavia, le versioni UFS, oltre ai campioni del 2013 e quelle prodotto nel 2014, non sono disponibili in generale. Si presume pertanto che tali chip siano utilizzati nei dispositivi mobili ad alto volume. Toshiba indica i dispositivi THGLF2Gxxxxxx a 32 e 64 Gbyte nel proprio sito Web, ma non sembrano comunque essere disponibili.
Modulo SSD
Per quanto riguarda la memoria integrata, è possibile utilizzare il modulo SSD standard. Le unità SATA da 2,5 pollici sono convenienti e di facile utilizzo, ma l'ultima novità nel campo degli SSD nel formato M.2 ridotto è quello più adatto all'integrazione. Questo formato è ideale per le interfacce mSATA e NVME. Il formato M.2 può essere utilizzato con moduli di tre diverse larghezze e lunghezze. Fra questi, quello più comune è di 22 x 80 mm, con un'altezza di 3,8 mm. La lunghezza è all'incirca quella di un chewing-gum. Essenzialmente, lo standard M.2 è l'implementazione di un fattore di forma ridotto dell'interfaccia SATA Express, che supporta PCI Express 3.0 e Serial ATA 3.0, con l'aggiunta di un'interfaccia USB 3.0 interna.
Il fattore di forma mSATA è stato prodotto per un breve periodo di tempo per alcune schede madri e notebook. Gli SSD mSATA seguono la specifica SATA III con una prestazione massima di 6 Gbit/secondo e assomigliano molto ai dispositivi mini-PCI-Express, ma i due connettori non sono compatibili. La produzione di mSATA è stata interrotta ed è stato sostituito dal formato M.2, dal design migliore. Esistono anche schede SATA Express per schede madri con una velocità superiore di 10 Gbit/secondo. Tuttavia, non è ancora chiaro se tali schede verranno ampiamente utilizzate. L'interconnessione e il formato M.2, al contrario, dovrebbero comunque durare. Il connettore M.2 può essere collegato a SSD PCI-Express e SATA, ma in genere viene utilizzato con quelli PCI-Express.
SSD PCI Express con AHCI o NVMe
Sono disponibili vari SSD PCI Express M.2. Tutti hanno lo stesso connettore M.2 con due canali di PCI Express. Alcuni dispongono del driver software AHCI (Advanced Host Controller Interface), che garantisce la compatibilità con i modelli precedenti grazie al diffuso supporto SATA nei sistemi operativi. L'utilizzo di AHCI per l'accesso agli SSD PCI Express rappresenta un facile miglioramento che tuttavia non garantisce prestazioni ottimali dell'interfaccia PCIe. AHCI è stata sviluppata quando lo scopo di un adattatore bus hot (HBA) di un sistema era quello di connettere la CPU/il sottosistema di memoria a un sottosistema di memoria più lento basato su un disco rigido. Per tale motivo, non risultava particolarmente efficiente nell'applicazione ai dispositivi SSD.
Con la stessa interfaccia fisica PCI Express, alcuni SSD supportano il driver NVMe, un sistema software del controller host scalabile e con migliori prestazioni che capitalizza la bassa latenza e il parallelismo degli SSD PCI Express.
Alcuni esempi di SSD M.2
Il modello SM951 M.2 SSD di Samsung utilizza PCIe Gen 3 ed è disponibile con il protocollo ACHI o NVMe e capacità da 512, 256 e 128 Gbyte. La versione NVMe garantisce velocità sequenziali in lettura/scrittura di 2.260/1.550 Mbyte/secondo (nella versione a 512 Gbyte) e fino a 300 K di IOPS in lettura, ovvero quasi il doppio della velocità dell'equivalente AHCI e tre volte superiore agli SSD SATA. Le letture casuali 4 K si verificano a 90 KIOPS, una soglia leggermente migliore della maggior parte degli SSD. L'unità ha adottato la modalità in standby a basso consumo L1.2, in base alla definizione di PCI-SIG, in cui la potenza è ridotta a meno di 2 mW. La modalità operativa a basso consumo L1 richiede solo 50 mW, mentre il funzionamento a piena velocità richiede 6,5 W.