1. 대용량 플래시 SSD의 시스템 구성, 핵심기술 및 기술동향
2006년 8월 24일
김 범 수
㈜엠트론

2. 16/32GB 1.8”, 2.5” Flash SSD (’05.05. 삼성전자)

3. Temperature Endurance
SSD 소개
HDD 대비 속도/전력소모/안정성/소음 월등
산업/군수용 시스템 안정성/성능 획기적 향상 가능
노트북/모바일 제품군 적용으로 폭발적 시장 확대 예상
2010년 50억불 규모 시장으로 성장 전망
SSD와 HDD 특성 비교
SSD 시장 전망
SSD*
Features
HDD**
32GB
Density
30GB
15g
Weight
61g
57MB/s
Sust. Read
15MB/s
32MB/s
Sust. Write
On: 0.1 W
Off: 0.5 W
Power Consumption
On: 1.5 W
Off: 1.5 W
-20~80 (℃)
Temperature Endurance
0~60 (℃)
(* : 삼성전자 32GB/1.8”; ** : Toshiba 30GB/1.8”)
[Source : Web Feet Research ‘05]

4. NAND 플래시 차세대 Killer Application으로
SSD 시장 전망
NAND 플래시 차세대 Killer Application으로
SSD 시장 성장 예상
메모리 제조업체
응용 분야
메모리 및 응용제품 기술
인텔/마이크론 신규 투자
도시바 공급 확대
하이닉스 공급 확대 및 신규 투자
신규 중국업체 도전 예상
’07년 이후 플래시 공급 과잉 및 가격 하락 예상
MP3, 카메라폰, DSC, 디지털 캠코더, PMP, 노트북 등 휴대가전 시장 확대 추세
무선전화/무선랜 인프라 확산
소형, 대용량, 저전력 저장장치 수요 증가
MLC, 50nm 테크놀로지 적용 제품 양산 확대 추세
SanDisk, Lexar Media, M-Systems 등 핵심 원천 특허 보유 업체 간 합종 연횡으로 단순 메모리 제조업체 생존 위협

5. NAND 플래시 시장 전망
(’ Financial News)

6. Flash SSD 구성
Flash Memory, Controller, Firmware, etc.

7. 4Gb 50nm NAND Flash Memory (’06.08. IM Flash Technologies)

8. NAND Flash 구조
(Spansion)

9. NAND Flash 동작 - Read Block No. Page No. 10010011… 1 (1) Read Command 1… 1
(1) Read Command 1 2
(2) Page No. 3 2 4 5
(3) Load (20us)
(4) Data Out (x8, 25ns) …
* Typical Read Performance : 약 20MB/s

10. NAND Flash 동작 - Program Block No. Page No. (1) Program Command1…
(2) Page No. … 1 1 2 3 2 4
(3) Data In (x8, 25ns) 5
(4) Program Command2
(5) Program (200us) …
(6) Status Check
* Typical Program Performance : 약 2~8MB/s

11. NAND Flash 동작 - Erase Block No. Page No. 00000000… (1) Erase Command1…
(1) Erase Command1 … 1
(2) Block No. 1 2 3 2 4
(3) Erase Command2 5
(4) Erase (2ms)
(5) Status Check

12. MLC NAND Cost Performance Reliability Voltage
60~70% of the same density SLC
Performance
Much Slower Program (800us – cf. SLC 200us)
Slower Access Time (70us – cf. SLC 25us)
Reliability
Lower Endurance Cycle (10K – cf. SLC 100K)
Higher Error Rate (cf. SLC 1bit per sector)
Voltage
3.3 V (cf. SLC 1.8/3.3V)

13. SSD Controller Block Diagram DMA CPU Core Host I/F NAND I/F SDRAM NAND
Flash
NOR/ROM
ECC/EDC
SRAM
SDRAM I/F
SDRAM

14. Parallelism (1) : Multi-Channel
Simultaneous Read/Program/Erase
2 Channel Organization
NAND
Flash
Chip1 x8
x16
NAND
Flash
Chip2 x8
Chip1
tPROG
Chip2

15. Parallelism (2) : Interleaving
Utilizing Program/Erase Busy Periods
4-Way Interleaving
NAND
Flash
Chip1
NAND
Flash
Chip2
NAND
Flash
Chip3
NAND
Flash
Chip4 x8
Chip1
tPROG
Chip2
Chip3
Chip4

16. Other Perf. Enhancement Techniques
Fast NAND Operations
Multi-plane Page Program and Block Erase
Copy-back Program
Write Buffering
Buffering Policy : Write-back, Write-through
Consistency
Partial Read from Page Buffer
Automatic Command/Address Generation
DMA between Different Memory Devices
Multiprocessor Architecture

17. SSD Firmware 주요 구성 Flash Translation Layer Command Handler
Buffer Manager
Flash Translation Layer (FTL)
Flash Translation Layer
Logical-to-Physical Address Translation
Bad Block Replacement
Wear-Leveling
Atomic Write (Power-off Recovery)

18. Address Translation Logical Sectors vs. Physical Pages
Why? : Bad Block, Endurance Cycle, Slow Erase/Program, Different Data Unit Size
Address Map
Sector
Page 2 1 4 2 5 3 4 3 5 1
ReadSector(2)  ReadPage(5)
WriteSector(2,Data)  WritePage(5,Data)

19. Algorithms Mapping Units Garbage Collection Policy
Page Mapping (cf. Super-page)
Block Mapping (cf. Super-block)
Hybrid Mapping (cf. Intra- and inter-block)
Garbage Collection Policy
Logging and Merging
Merge on Write
Bad Block Replacement
Block Replacement
Super-block Replacement
Wear Leveling
Control on Every Erase
Brute-force Erase till Error occurs

20. 관련 기술 Software Host Controller Server Hybrid HDD
OS (Kernel, File System, Device Driver)
DBMS (Index, Storage Subsystem, TP)
Host Controller
Server
Blade Server
Online Game, Contents Server
Hybrid HDD
Samsung Hybrid HDD (OneNAND + HDD)
Intel Robson (NAND Flash Module)
Microsoft Windows Vista (Sleep/SuperFetch/ReadyBoost/ReadyDrive)

21. 사례 : Mtron Flash SSD (with SNU)성능
특성 제품
Mtron 제품
기존 M사 제품
Sustained Read
80MB/s
35MB/s
Sustained Write
60MB/s
PCMark04 Index
26314
8589 구조
SRAM
ARM7
Core
AMBA Bus … FM FM
Buffer
Flusher0
FBC0 … D E M U X
DRAM
Buffer
Buffer
Flusher1 FM FM
Host
Interface
Logic
(SATA,
PATA)
FBC1 F I O
Buffer
Flusher2
Host
Interface
Connector …
Buffer
Flusher3 FM FM M U X
FBC2
Splitter … FM FM
FBC3
: Control Flow
: Data Flow
* FBC: Flash Bus Controller
* FM: Flash Memory

22. SSD Demo
Booting
Virus Scan
File Copy

23. 결론 Flash SSD 기술개발 경쟁은 이제 겨우 시작단계
세계 1위 NAND Flash 제조국에 제대로 된 응용 기술 사업 부재 (cf. 대만, 이스라엘, 미국 등 연 매출 조 단위 이상의 업체들)  국가의 전략적/정책적 사업 지원 필요

25. 감 사 합 니 다