WHITE PAPER 차량용임베디드플래시기반스토리지의최적화 앞으로의차량용인포테인먼트 (IVI) 시스템은많은데이터용량을필요하게되며계속해서수요는증가할전망입니다. 지도와네비게이션, 음악과엔터테인먼트, 스마트폰사용자인터페이스및기타 IVI 애플리케이션의미러링작업들이자동차에서사용하는메모리수요를증가시키고있습니다. 시장조사에의하면고급차량에서 2014년에일반적으로 32GB였던사용자데이터스토리지요구량이 2020년에 256-512GB로증가할것으로전망합니다. 한때자동차메이커들이대용량데이터스토리지는기술이익숙한하드디스크드라이브 (HDD) 를선택하였지만, 안정성과수명을염려하여솔리드스테이트드라이브 (SSD) 또는임베디드멀티미디어카드 (emmc) 로교체되었습니다. 시스템을솔리드스테이트시스템으로교체하는것자체만으로는긴수명의안정성있는성능을보장하지않습니다. 이문서에서는솔리드스테이트데이터스토리지시스템의오류모드를정리하고, 최신대용량 SSD 및 emmc의안정성과수명을긴밀하게제어하는데사용되는기술과프로세스에대해설명합니다. 자동차산업에서선호하는 MLC NAND NAND 플래시는현재수십억개의스마트폰, 태블릿, 미디어플레이어및셋톱박스에서사용되는기본메모리이며, 또한 SSD 및 emmc에사용되는스토리지미디어입니다. NAND 플래시는크게세가지유형으로구분할수있습니다. SLC( 싱글레벨셀 ), MLC( 멀티레벨셀 ), TLC( 트리플레벨셀 ). 최신버전의 TLC인 3D TLC는 TLC보다훨씬더높은메모리밀도를달성하기위해스택방식구성을사용합니다. MLC 플래시의메모리밀도는 TLC보다는낮고 SLC보다는높습니다. 솔리드스테이트솔루션은데이터스토리지로써자동차메이커들의수요에잘맞으며, 높은품질및안정성표준을유지하기위해자사제품에사용하는부품과모듈을아주엄격한절차및품질기준으로관리합니다. HDD와달리, SSD 또는 emmc제품에는기계적인부품이포함되지않으므로기계적인고장이발생하지않고충격이나진동으로인한손상을발생할가능성이적습니다. 그럼에도불구하고, SSD 및 emmc의토대가되는 NAND 플래시어레이는적절하게관리하지않을경우데이터손상또는데이터로스를유발할수있는본연의특성을가지고있습니다. 따라서, 전기-기계적 자동차 SSD 및 emmc 애플리케이션에서현재 MLC NAND가선호되고있는데그이유는 TLC NAND에비해높은밀도, 높은안정성, 낮은비용, 데이터로스및손상에대한낮은민감성때문입니다. 현재 MLC NAND 기반 emmc 제품의일반적인데이터스토리지용량은최대 64GB에달하고, MLC NAND 기반 SSD의경우에는최대 512GB에이릅니다. 그러나 MLC NAND 플래시의사용은데이터무결성과보존에취약한부분이있습니다. 그리스크는무엇이고, 또는자동차사용자들이 SSD 및 emmc 제조업체에게이것을어떻게관리하기를기대하는지에대해한번살펴봅시다. - 1 -
SSD/eMMC 제품전체수명의리스크평가 NAND 플래시어레이가가진고유의고장또는데이터로스리스크가세가지단계에서발생합니다. 새디바이스를제작후얼마되지않았을때조기고장이발생합니다. NAND 플래시제조공정이가진가변성으로인해제품이약하거나불량한블록 (Bad Block) 또는셀을만들게되는것을피할수없습니다. 디바이스의정격수명동안다양한데이터로스또는손상의다양한잠재적원인이있는데, 여기에는호스트와 NAND 플래시어레이간전송에서발생하는비트오류, 갑작스러운정전사고, 데이터보유에영향을주는열스트레스, 읽기방해등이포함됩니다. End 0f Life NAND 플래시제품은 P/E( 프로그램 / 지우기 ) 사이클로측정되는사이클수명을가지고있으며모든메모리셀은이사이클을초과하면더이상사용할수없는셀로간주됩니다. 고장의처음두범주는자동차시스템에서매우바람직하지않습니다. 이때문에 Silicon Motion은 Ferri 계열인데이터스토리지제품에서 NAND 플래시어레이의정격수명동안고장및데이터로스의리스크를최소화하거나없애기위한기술과테크닉을개발했습니다. 이러한기술을통해 Silicon Motion은 AEC-Q100 인증을획득한 FerriSSD 및 Ferri-eMMC 제품사용자들에게제품의안정성과긴작동수명에대한자동차업계의격한요구사항을만족시킬수있습니다. SSD 부트로더의데이터무결성, 긴작동수명및성능을향상시키는 Ferri계열제품의특징은다음과같습니다. 모든셀, 페이지및블럭의 100% 스크린과납품전종합품질관리로매우낮은 dppm( 백만개당결함부품수 ) 비율유지 NANDXtend ECC 기술을통한종단간데이터보호로작동수명연장 비트손실을미연에방지하고데이터보유기간을늘리는 IntelligentScan 및 DataRefresh 기술 Failure Rate 또한, Ferri계열제품은 NAND 고장분석기능을갖추고있습니다. Silicon Motion은수년간누적된 NAND 플래시메모리지식을활용하여발생가능한문제점을효율적으로디버깅하고, 전문적인고장분석보고서와교정실행계획을제공합니다. 조기고장에대한스크린다이의약한메모리블럭 조기고장을일으키는블럭은특정된작동온도범위의극단에서고장을일으킬가능성이높습니다. Silicon Motion이공급하는 Ferri 솔루션제품의온도지원범위는 -40 C ~ +85 C입니다. 따라서 Silicon Motion은모든 NAND 플래시다이에서의모든셀, 페이지및블럭의고온 (85 C) 번인 (burn in) 을수행함으로써불량블럭이포함된모든디바이스를검출해낼수있습니다. 이러한부품들은고객사에게선적되지않고폐기됩니다. 이러한정책으로 Ferri계열디바이스의생산효율은낮아졌지만자동차관련고객사들에게선적되는제품은매우낮은 dppm로관리되며이러한무결성제품을생산하는것이 Silicon Motion이추구하는가치입니다.( 그림 1 참고 ) Early SMI proprietary Screening (stress mode) early bad blocks Random FerriSSD are designed for robust product life Screen off weak blocks, physical defects, etc Ensure no data lost during the product life Extreme low failure rate during usage Other SSDs at Shipping FerriSSD at Shipping Program Erase Cycle with in usage life under normal operation Wear-out 그림 1: Silicon Motion 은불량블럭에대한고온스크린을통해조기불량을없앨수있습니다. SMI Specified Max PE - 2 -
정상작동에서데이터로스방지 Silicon Motion이소유한스트레스테스트기술은조기고장을검출해냅니다. 그러나양호한 NAND 플래시디바이스라도정상작동에서데이터로스및데이터손상의가능성은있습니다. 이러한유형의고장은다음세가지방식으로발생할수있습니다. 갑작스러운정전사고가발생할경우 전송중데이터로스 열스트레스하에서의불완전한데이터보유 SPOR를올바르게처리자동차시스템은다양한원인으로인해갑작스러운정전사고를당할수있고차량의시스템소프트웨어는항상 SSD 또는 emmc에적절한정전명령을주는것으로설계되어있지는않습니다. SPOR(Sudden Power Off and Recovery) 절차가구현되지않을경우, 그러한사고는데이터로스또는스토리지시스템고장을일으킬수있습니다. 이러한리스크를제거하기위해 Ferri계열제품은 SSD 또는 emmc 컨트롤러에 SPOR 절차를구현하는 Silicon Motion 소유의펌웨어를포함하고있어서 100% 데이터무결성을보장합니다. 더강하고새로운사전오류교정 ECC( 오류교정코드 ) 를관리하는능력은 NAND 플래시컨트롤러의일반적인기능입니다. ECC의목적은데이터스트림을 NAND 플래시어레이에쓰거나읽을때발생하는비트오류를교정하는것입니다. NAND 플래시기반시스템에 ECC를구현하는다양한방법이있는데, 특정방법이다른방법에비해더높은수준의오류교정을달성합니다. 자동차제조업체들은극도로높은품질표준을위해노력하며, 그들의이상적인목표는고장률제로를달성하는것입니다. 이에부응하여 Silicon Motion은자동차메이커들에게공급하는 Ferri 솔루션제품에더강력한오류교정기능을적용했습니다. 첫째, 이기능은전체경로에걸쳐종단간오류교정을구현합니다.( 그림 2 참고 ) 이는 NAND 플래시어레이뿐아니라버퍼메모리 (SRAM 또는 DRAM 디바이스 ) 에서도읽기 / 쓰기작업의오류를교정합니다. 데이터전송의유효성에대한추가적인검증은 NAND 플래시어레이에서, 그리고 Ferri계열디바이스와시스템호스트프로세서간의인터페이스및버퍼메모리에서 CRC 체크섬테스트를통해이루어집니다. Interface CRC Host Current Generation Inside of a SSD Interface Frontend Internal CRC SRAM/DRAM ECC Transfer Buffer New Generation Internal CRC NAND ECC NAND Current Generation New Generation New Generation : Protected by End to End data path protection 그림 2: 자동차시스템용 Ferri 솔루션제품에서종단간데이터경로보호를이용할수있음 - 3 -
둘째, Silicon Motion은 NAND 플래시블럭에수많은프로그램 / 지우기사이클이수행될때일반적으로발생하는상승된비트오류율을허용하여데이터보호의범위를확장시켜놓았습니다. ECC에대한기존 BCH 또는 RS 기술은낮은비트오류율에서 100% 데이터교정할수있지만 NAND 플래시어레이의노화에따라비트오류율이높아집니다. 기존의소비자 SSD 및 MMC는 BCH 또는 RS 알고리즘의능력을이루지못한교정되지않은오류를남겨둡니다. 그러나자동차애플리케이션의경우, Ferri계열제품은그림 3과같이추가적인오류교정을구현합니다. 손상된워드 (1kB 블럭 ) 를복원하기위해 LDPC( 저밀도패리티체크 ) 알고리즘이적용되었습니다. 또한 Silicon Motion은손상된데이터를포함하고있는전체 16kB 페이지를복구할수있는 Page RAID 알고리즘도구현했습니다. 이들기술은함께작용하여 NAND 플래시어레이의전체정격수명주기동안비트오류가없는읽기 / 쓰기작업의무결성을보장합니다. Current Future BCH or RS LDPC Hard Decoding Hard Decoding High Efficiency Shift Read (Read Retry Table) Uncorrectable ECC Error Shift Read (Read Retry Table) Soft Decoding (Iterative Decoding) Stronger Correctability 1 ST Generation protection New Generation protection Code-word(1KB)recovery Page RAID Page(16KB)recovery 그림 3: 확장된 ECC 작동을위한 LDPC 및 Page RAID 오류교정방안 열스트레스의영향완화데이터보유는자동차제조업체에게중요한성능매개변수입니다. 이는데이터비트를셀에쓴후얼마나오래유지되는지그기간을측정합니다. 그림 4 의테이블처럼이기간은온도에의해큰영향을받습니다. 이테이블을통해 MLC NAND의데이터보유가 SLC NAND에비해훨씬짧다는것을알게되었습니다. 온도 SLC @ 최대 PE MLC @ PE 40 75.58 Mo 12 Mo 55 12 Mo 1.88 Mo 70 2.14 Mo 0.34 Mo 85 0.45 Mo 0.07 Mo 그림 4: NAND 플래시의데이터보유는작동온도, PE( 프로그램 / 지우기 ) 사이클수및 NAND 타이프에의해영향을받음 - 4 -
Ferri계열제품에구현된기술은지능적으로블럭과셀을스캔하고데이터로스리스크가있는블럭과셀을갱신함으로써데이터보유실패가발생하지않도록보호합니다. 이러한 IntelligentScan & DataRefresh 기능은 ECC 작동에서파생된블럭당비트오류율에관한데이터에작용합니다. 비트오류율에대한사용자선택가능한임계값에서 DataRefresh가수행됩니다.( 그림 5 참고 ) 그림 4에 나온것처럼고온의동작환경에서데이터보유기간이극도로짧아집니다. Silicon Motion의 IntelligentScan & DataRefresh 기술은고온의동작환경에서알아서스캔빈도를증가시킵니다. 또한 IntelligentScan & DataRefresh 기술은읽기방해로일으킨데이터로스를방지할수있습니다. 50 85 데이터유지시뮬레이션 45 40 DataRefresh 최대 ECC 교정가능 35 오류비트 30 25 20 사전설정 / 프로그램가능임계값 15 10 5 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 102 105 108 111 114 117 120 그림 5: DataRefresh 가블럭당비트오류율을영으로돌려놓음 월 1Ynm MLC 기반, @ 1,000 PE 대량데이터스토리지를위한임베디드보드레벨솔루션이문서에서보여준것처럼, SSD 또는 emmc의신뢰성과데이터무결성은 burn-in, 향상된 error correction 기능의적용을통해크게높일수있습니다. Silicon Motion은 AEC-Q100 인증된 Ferri 계열제품에서다음과같은특징을통해자동차업계의높은수준의사항을만족시킵니다. 모든셀, 페이지및블럭의 100% 스크린과선적전종합품질관리로매우낮은 dppm 비율유지 NANDXtend ECC 기술을통한종단간데이터보호로작동수명연장 향상된데이터보유를위한 IntelligentScan & DataRefresh 현재구입가능한 Ferri계열제품은다음과같습니다 FerriSSD, 20mm x 16mm BGA 패키지, 최대용량은 256GB Ferri-eMMC, JEDEC 산업표준을준수하는다양한콤팩트 BGA 패키지로구입가능, 최대용량은 128GB Ferri계열스토리지솔루션은특히자동차시장의수요에잘적용되어, 솔리드스테이트메모리가차량에있는다른전자시스템의품질및안정성을맞추도록보장해주는장기적인안정적작동, 데이터무결성및데이터보유를제공합니다. FerriSSD 모듈에관한자세한정보를원하시면 www.siliconmotion.com을방문하거나 ferri@siliconmotion.com으로이메일을보내십시오. www.siliconmotion.com Copyright 2017 Silicon Motion, Inc. - 5 -