新太空时代对机载大容量存储器的要求
文章作者:Rajan Bedi
NAND Flash技术提供了潜在的非易失性解决方案，以实现未来的地球群众内存对地球观察的需求
地球观测分析可用于提供基于卫星的见解，以解决粮食可持续性，监测气候变化，森林变化，灾害管理，智能城市，成像，以定位石油和天然气等自然资源以及连续，以及连续偏远地区关键资产的实时监测。对此市场的最新预测值得重视到2026年达到80亿美元。
图1这是ESA荧光探险家地球观测使命的图示。
为了利用这一有利可图的市场机会，行业和政府正在寻找越来越多的可以从太空技术中获益的应用程序，而运营商则试图通过提供更好的服务(比如超高分辨率流媒体视频)来差异化。
实时视频或获取更高分辨率的图像会影响板上的质量存储器要求。快速，高容量空间级记忆的进步已经落后于我们的商用表兄弟和辐射 - 硬，塑料16 GB DDR3 SDRAM仅可用，提供高达667 MHz的系统频率。
下一代的地球观测应用程序将需要带有用于板载存储器的TB的有效载荷来处理获取的遥感数据。例如，实现1 TB的大容量存储器需要64个DDR3芯片，总内存成本为650,000美元，显着提高了有效载荷的大小，复杂性和功耗。对于大多数OEM和运算符，DDR3根本不是该载体要求的可行选择。
NAND Flash是一种高密度的内存技术，在商业世界中普遍存在;有多少人拥有TB闪存驱动器？通过利用浮栅晶体管进行这些提供非易失性存储，并与传统的半导体静态和动态存储器不同。表1在实现1 TB的板载存储时将DDR3与NAND闪存进行比较。
表格1实现1 TB的板载存储
| DDR3 16gb × 16 Gb | NAND 256 GB x 16 | |
| 数量的设备 | 64. | 4. |
| 最低房地产 （毫米3.） |
152,320 | 16796年 |
| 功耗 (静态、动态) |
17 w / 17 w | 13.2 mw / 5.2 w |
| 大致成本（$） | 650000年 | 30000年 |
| 存储速度, 16位总线（MBYTES / S） |
2667 | 100. |
| 总字节写入(TBW) | 无限的 | 7530年Tbs |
由于产量相关的问题，NAND闪光用已知数量的错误块制造。此外，由于重复使用存储器单元，并且存在关于可以在设备的寿命上写入（TBW）的总字节数存在的指定可靠性限制，这项技术随着时间的推移而降低。NAND Flash包含内在的纠错备用位，用于线性，连续存储，并且可以被认为是固态硬盘驱动器。需要一个控制器来管理其接口，错误块的位置，以及在任务的寿命上的额外恶化。
NAND闪存组织成页面，块，平面和逻辑单元（LUN），如下所示。目标是由芯片使能信号访问的内存量，并且可以包含一个或多个管芯，这是可以独立执行命令和报告状态的最小值。根据打开的NAND闪存界面（ONFI）规范，模具被称为LUN。
每个页面包含8640个字节，包括8192个字节的数据和448个字节的错误纠正和磨损水平，即确保块被统一执行。
图2.此图显示了NAND闪存的组织。
为了减少PIN计数，数据，命令和地址被多路复用到相同的引脚上，并由I / O控制电路接收。命令被锁定到寄存器中并传输到逻辑以生成内部信号以管理设备操作。地址被锁存并发送到行/列解码器，以在NAND闪存阵列中选择所需位置。
图3.LUN的功能框图。
所有操作通过在DQX上置于DQX，驱动CE＃Low，CLE高，并在我们＃上的上升边缘时钟时，通过指挥为＃。接下来是附加指令或一个或多个数据周期。
NAND闪存阵列是编程和读取使用基于页面的操作，并使用基于块的指令擦除。在普通页面模式下，数据和缓存寄存器合二为一。在缓存操作时，数据和缓存寄存器独立运行，以增加数据吞吐量;当数组数据被转移到数据寄存器时，您可以从缓存寄存器访问数据。
图4.这是同步命令锁存循环。
相对轻地，当前的空间级NAND闪光灯仅在慢异步模式下运行，只有50 MHz的最大I / O速度，并且重新显示/ WE＃控制输入输出在启用设备时分别转换读取和写入传输。将数据的最长时间（8640字节）与高速缓存写入高速缓存为173μs，560μs从高速缓存传输到存储器阵列。写入一个字节的后续时间是64.8 ns，这必须在1/50 MHz = 20 ns的时钟周期内发生。商业级NAND闪光提供更快的同步操作。
为了增加持续阵列(页面程序)带宽，在一个设备中，多平面模式允许两个平面同时写入，将上述时间减半至32.4 ns。每架飞机包含独立缓存和数据寄存器和如图2所示,有两个死/芯片启动允许多平面,multi-LUN模式,允许同时访问多个模具,例如通过使用两个死,写(页面程序)时间可以减少64.8 ns 64.8 / 4 = 17.4 ns。通过同时将数据交错到两个芯片上的4个平面，您可以在20 ns时钟周期内适应写入一个字节所需的时间，因此阵列页面编程时间现在比I/O时间更快。数据不会连续存储，而是分散在两个芯片上，FPGA/ASIC中的存储控制器必须管理这个过程。
作为一个例子,数据设备公司DDC提供32到256gb的空间级NAND闪存，所以只需要4个芯片就可以实现1tb的存储。图2显示了一个256gb芯片由4个64gb目标组成，每个目标包含2个32gb芯片。通过双数据总线，可以同时访问4个lun。采购选项范围从工程样品使用在+25°C，工业级从-40°C到+85°C，以及A级，K级和H级设备从-55°C到+125°C。RAD-PAK屏蔽也可用于增加在大多数轨道上对> 100 kRad(Si)的总剂量耐受性，部件以陶瓷密封封装提供。DDC对每个模具批次进行特定的总剂量测试，并在模具修改基础上进行单事件效应(SEE)测试。可根据客户要求提供辐射报告，DDC可通过分析满足客户的特定硬度要求，确保设备满足您的任务需求。
编写一个字节的时钟周期为50 mbytes / s的I / O速率：当每个DDC芯片包含两个8位I / O总线时，这可以增加到100 mbytes / s，这是等效的到800 Mbps。四个芯片导致数据速率为3.2 Gbps。
DDC已经确认，通常甚至在生命开始时的任何坏块（BOL），但数字在EOL（生命结束）上增加了80个。这相当于每芯片的5.4 GB的不可用存储器或使用四个设备时总共21.5 GB。eol的结果总容量将是1.001结核，您被告知BOL处有哪些块。
这256 GB NAND闪存芯片具有60,000个循环的指定寿命耐久性，表示可以写入或擦除设备的次数。总共1.001 TB * 60,000等于60,240 TBS，其等同于7530 TB的TBW。由此产生的任务持续时间可以从您的存储需求计算：如果需要每年写入1 TB数据，内存将运行7.5年。
图5.这款空间等级，256 GB NAND闪存芯片具有X16宽总线。
IBIS模型是可用的，由于包是引线设备，您必须创建自己的PCB足迹。我希望看到示意图符号提供的中性CAD格式，如BXL，以加快时间到市场的需要!
我希望HI-REL供应商提供更快，更大的空间级记忆产品。虽然空间级DDR4正在进行，NAND Flash仍然是能够经济地和低功耗以开发市场机会的唯一能够在船上大容量存储器提供TB的唯一技术。需要改进辐射硬化NAND闪光的I / O速度以使未来的航空电子设备以及最新的FPGA和最新的FPGA对齐，并且需要IP来控制此界面并在使命的使用寿命中管理内存劣化和错误。方便地，DDC零件支持3V3和1V8 I / O，后者在连接到超深亚微米库时非常有用，以及减少动态功率。两者都更快，同步的高密度NAND闪存和DDR4都在其路线图上。
到下个月，第一个告诉我浮栅晶体管如何表现出无波动性的人将赢得火箭科学家的课程世界旅游T恤。祝贺意大利那不勒斯的朱利亚，第一个回答我的谜语以前的帖子。
- Rajan Bedi博士是首席执行官和创始人sputnik
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