固态硬盘和主控低功耗设计研究

固态硬盘和主控低功耗设计研究

许智鑫

深圳市硅格半导体有限公司  深圳   518000

摘要：固态硬盘功耗会引起设备加热导致耗电上升，持续的高温会造成介质颗粒的可靠性受到影响。对固态硬盘进行低功耗设计，让硬盘可以支撑更长的待机时间，同时降低成本，提高可靠性与使用寿命。本文通过对固态硬盘和主控低功耗进行设计研究后，得出采用有效的低功耗方法可以有效降低固态硬盘的消耗。

关键词：固态硬盘；结构；低功耗；变频

    随着新型存储介质技术的开发，闪存的工艺得到了不断的提升。固态硬盘的成本降低，在数据中心、存储系统的开发以及日常的电子产品消耗中得到了广泛应用。固态硬盘分为消费级应用和企业级应用两种应用方式，在消费级领域，固态硬盘主要以便携式移动硬盘、电脑、手机等移动存储的方式出现；在企业级应用领域中，固态硬盘主要以PCIe接口、SAS存储盘的方式出现。固态硬盘的功耗关系到产品的竞争力，在便携式移动设备中，固态硬盘自身的高功耗会缩短待机时间，在企业级应用中，固态硬盘大多应用于数据中心，在数据中心有上百块固态硬盘，过高的功耗会让数据中心的整体发热量加剧，增加企业运营成本。过高的环境会影响闪存介质的使用寿命，继而影响整个数据中心的安全运行。因此，对固态硬盘进行主控低功耗设计，对于企业的稳定运行具有十分重要的意义。

1. 固态硬盘基本架构

    图1为一种典型的固态硬盘架构，从逻辑层面分析，一个完整的固态硬盘包括主机接口、缓存、固态盘处理以及闪存四大模块。

图1 固体硬盘架构

主机接口主要负责固态硬盘与主机系统之间的数据通信，以SATA通信接口为主流，以AHCI协议为常见的接口协议，通过特定的接头协议，可以实现对固态硬盘的高效访问。

缓存模块主要用于管理固态硬盘的空间，通过缓存空间实现主机与固态闪存之间的数据通信，提高固态硬盘读写功能的同时还可以减少对闪存芯片的频繁读写，有助于提高硬盘的使用寿命。

固态盘处理模块作为重要的固态盘软件层，可以实现地址映射、垃圾回收等功能。

闪存模块主要负责对数据进行物理存储，通过多个通道与控制器建立缓存通道，严格按照通道、芯片、晶片、平面的顺序进行划分。

2. 固态硬盘主控的低功耗设计
   1. 低功耗模式

对于NVMe 固态硬盘的控制器芯片的功耗设计，主机接口连接需要在PCIe控制器的基础上，因为设备的功耗在整个主控中所占比例增加，为了降低PCIe控制器的功耗，根据标准协议设定了如表1所示的低功耗模式，方便用户可以根据自己的实际情况进行负载，在几种模式下自由切换，从而对功耗进行控制。

表1 PCIe低功耗模式

在PCIe协议中，PCIe的接口工作模式在不断变化，从最初的全速工作模式转变为深度节能模式，随着模式的不断转变，功耗也得到了有效控制。根据NVMe芯片的工作模式，得到了如表2所示的低功耗模式。

表2 主控芯片的低功耗模式

主控芯片的功耗模式在性能方面都是逐步降低，工程师需要根据系统的应用场景进行模式应用，实现在不同的应用场景下让整个系统的功耗得到最小化利用。

2.2固态硬盘控制器芯片的低功耗设计方法

固态硬盘的控制器芯片功耗分为静态和动态两种功耗模式，随着半导体工艺的成熟，电压在不断降低的情况下所带来的是动态功耗下降明显，静态功耗占比越来越大，减少静态功耗的方法可以使用标准单元库或者电源门控的方式；减少动态功耗的方法可以采用时钟门控、降频调压等方式。针对固态硬盘的控制器芯片，设计了如下方案：

为了降低静态功耗带来的影响，在逻辑单元较多的部分，采用LDPC算法，在网表中采用低Track或者高门限电压的方式进行实现；在不同的操作模式下，进行逻辑综合设定时，针对数据路径模块，采用自动门控插入技术降低动态功耗带来的影响；对于Flash通道，当该通道的模块处于IDLE状态下，尽可能采用电控；采用异步时钟设计的高密度单元，针对CPU模块减少大量的动态功耗；在不需要的时候要将整个控制器的芯片关闭，同时最小化Memory和CPU的指令消耗。

2.3功耗控制技术

针对闪存介质以及Flash IO通道的功耗控制，采用功耗压制技术和通道压制技术实现功耗的控制。

功耗压制技术在固态硬盘的固件程序中，通过设定一个温度门限值，当主控温度传感器检测到温度高于设定的温度时，固件会主动对主控CPU进行降频操作，如果温度过高将会停止对Flash总线的数据访问。该技术可以有效降低闪存介质中存在的动态功耗，从而提升固态硬盘的使用寿命。

对于通道压制技术而言，固态硬盘控制器为了提高并发写入的速度，会利用Flash后端进行多通道并发读写，对于企业级的固态硬盘控制器而言，采用8通道或者16通道进行操作，是为了提高并发读写的可能性，但是容易增加功耗。为了降低Flash功耗带来的影响，同时也为了延续闪存介质的寿命，采用通道压制技术，在固件中设置负载门限，通过读写带宽值、读写Flash Die的数量完成功耗设定。在操作的过程中，对固件实行监控，并对正在工作的Flash Die的数量进行收集并上传，当系统检测到所设定数值高于门限时，固态硬盘控制器会自动取消对闪存介质的命令，停止进行数据传输，通过此种方式，降低低功耗所带来的影响。随着闪存介质寿命的不断缩短，门限值也会随时进行调整。通道压制技术还可以降低Flash的介质功耗，损害自身的瞬时性能，因此在实际的使用时，门限的数值设定要非常谨慎。

综合以上功耗设计方法，在EDA中对固态硬盘进行仿真，得到实验数据和指标如表3所示。

表3 实验数据和指标

结果显示，采用多种低功耗设计方法的固态硬盘主控功耗设计，通过与Flash介质的配合，可以更好的控制住动态功耗与峰值功耗带来的影响。

结束语：

    针对固态硬盘和主控低功耗进行设计和研究后，提出了关于固态硬盘的低功耗设计方法。通过实验得到，在以上的低功耗设计方法中，可以实现固态硬盘的功耗降低，在进行固态硬盘的设计时可以显著降低盘片的动态损耗，具有良好的实用价值。

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