一种集成mram的固态硬盘控制芯片及固态硬盘的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数字存储领域，具体涉及一种集成MRAM的固态硬盘控制芯片及固态硬盘。
【背景技术】
[0002]固态硬盘(Solid State Drives，SSD)，简称固盘，是用于存储数字信息的设备。
[0003]NAND闪存技术的发展推动了 SSD产业，SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA、PICe等技术，如图1所示，内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于缓存数据的双倍速率动态随机存储器(Double Data Rate Dynamic Random Access Memory, DDR DRAM)，以及一个主控芯片组成。
[0004]智能手机由于严格的尺寸要求，还很难支持SSD。一般使用尺寸更小的存储卡，比如eMMC制式或者MicroSD制式的。存储卡的架构与固态硬盘类似，只是不会在内部使用大量的DDR DRAM，使用少量的SRAM集成在控制器中，牺牲一些性能。
[0005]如图2所示，手机与计算机的文件操作方式如下:
[0006](I)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；
[0007](2)操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指令；
[0008](3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优化，向芯片发出读写page，擦除block等指令。
[0009]固态硬盘和存储卡的存储介质都是NAND闪存。
[0010]NAND闪存是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元为页(page)，最小可擦除的单元为块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。
[0011]NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个页经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。
[0012]因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。
[0013]文件系统软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。由于NAND擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑地址物理地址的对照表是不断动态更新的。这个表正比于SSD的总容量，存在DDR DRAM里，另外在NAND里面也有相应的标记。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。
[0014]由于NAND的读写速度比DRAM慢得多，还可以利用一部分DRAM空间作为读、写缓存(Cache)，以提高整个SSD的性能。
[0015]然而引入写缓存产生了新的问题:一旦发生断电，DRAM缓存中尚未写入NAND的内容会丢失，造成系统丢失数据甚至整个文件系统的损坏，因此必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护系统(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。
[0016]NAND闪存一般在出厂时就有一些损坏的块。所以所有的NAND都伴随着一个坏块表，一般会被存储在NAND的指定区域或者在坏块上做标记。所以，一般NAND厂家提供的产品容量都大于标定值，留有一些备份块。
[0017]NAND在使用过程中坏块可能还会不断出现。最常见的情况下是在写入或擦除时，芯片的状态显示可能会表示写入、擦除失败。此时NAND管理软件应该找到一个替代块，重新写入数据。较少的情况下，读出时也会因为纠错和校验而失败，此时数据通常能够通过多次重复读来恢复，但NAND管理软件可能会寻找替代块把数据转存过去。
[0018]现有的固态硬盘存在以下缺陷:
[0019]I速度:计算机的SSD，读写的速度除了受限于NAND的读写速度外，还受限于SATA, PCIe等串行接口的速度；
[0020]2尺寸:计算机的SSD尺寸很大，对于越来越轻薄的笔记本电脑、平板电脑，应用起来越来越困难，应用到手机上几乎不可能；
[0021]3寿命:NAND具有有限的擦除寿命。现有的技术不但没有办法对其进行保护，相反，逻辑物理地址对照表是经常修改的东西，为了防止系统突然掉电时SSD内容恢复的困难，必须以很高的频率把这张表保存在NAND中，增加了 NAND的写的次数，进一步缩短了NAND的寿命。
[0022]如图3所示，一种MRAM-NAND控制器，包括MRAM模块、主机接口与NAND控制器。一种贴片式固态硬盘，包括MRAM-NAND控制器与NAND模块。
[0023]由于采用MRAM-NAND控制器以及POP与3D SIC封装技术，使得贴片式固态硬盘尺寸更小，能够直接贴片到主板上；不仅能够应用到计算机上，也能够应用在平板电脑与手机上；MRAM-NAND控制器的主机接口，采用DDR DRAM接口，使得贴片式固态硬盘的读写速度大大提尚。
[0024]然而，控制芯片内部不含CPU，硬盘使用物理地址，手机及计算机的厂家一般不愿意直接面对复杂的NAND管理程序，开发针对各种型号的NAND芯片的驱动，使得该方案的应用有一定的困难。
【发明内容】
[0025]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种集成MRAM的固态硬盘控制芯片，能够把固态硬盘做得速度更快，尺寸更小，直接贴片到主板上。不仅能应用到计算机上，也能应用在平板电脑和手机上。
[0026]本发明的背景是两项重要的技术发展:
[0027](I) 3D NAND技术发展使得未来一个芯片的容量可以相当于过去整个SSD的容量，足够运行常见的操作系统及其基本应用；
[0028](2)MRAM技术的成熟。MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像DDR(D)RAM—样快速随机读写，还可以像NAND闪存一样在断电后永久保留数据。而且MRAM不像DRAM—样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。
[0029]本发明提供一种集成MRAM的固态硬盘控制芯片，包括CPU、MRAM、主机接口以及NAND控制器，主机接口用于连接集成MRAM的固态硬盘控制芯片与主机，NAND控制器用于控制与NAND芯片的连接，CPU与MRAM、主机接口控制器以及NAND控制器连接，主机接口使用标准的内存读写接口。
[0030]进一步地，NAND控制器为单通道或多通道，采用多通道，进一步提高了读写NAND芯片的速度。
[0031]进一步地，集成MRAM的固态硬盘控制芯片还包括主机接口控制器，主机接口控制器用于控制主机接口。
[0032]进一步地，主机接口控制器和/或NAND控制器通过DMA直接读写MRAM，使得通过主机接口控制器与主机交换数据不占用固态硬盘控制芯片的CPU时间，和/或通过NAND控制器与NAND芯片交换数据不占用固态硬盘控制芯片的CPU时间，进一步提高固态硬盘的读与性能。
[0033]进一步地，MRAM包括NAND管理软件存储区，CPU运行存储于NAND管理软件存储区的NAND管理软件。
[0034]NAND管理软件由集成MRAM的固态硬盘控制芯片的CPU运行，而不像现有技术中由手机或计算机的CPU运行，避免了手机及计算机的厂家直接面对复杂的NAND管理软件，开发针对各种型号的NAND芯片的驱动，因此本发明的技术方案更易于应用。
[0035]进一步地，CPU与主机之间设置中断连接，用于通知主机NAND芯片读写的状态。
[0036]进一步地，MRAM包括逻辑物理地址对照表，主机使用逻辑地址进行读写操作，CPU根据逻辑物理地址对照表进行地址翻译，并进行NAND芯片的相关的管理操作。将逻辑物理地址对照表设置在MRAM中，减少了写入NAND芯片的次数，延长了 NAND芯片的寿命。
[0037]进一步地，MRAM还包括写缓存或读写缓存，不仅提高了固态硬盘的读写速度，而且减少了写入NAND芯片的次数，延长了 NAND芯片的寿命。
[0038]本发明还提供一种固态硬盘，包括上述集成MRAM的固态硬盘控制芯片与NAND芯片。
[0039]进一步地，集成MRAM的固态硬盘控制芯片和NAND芯片通过POP封装技术封装在一起，直接贴片在主机的主板上，这样组成的固态硬盘比现有技术中的固态硬盘尺寸小得多，能够用在手机以及轻薄的笔记本中。
[0040]进一步地，集成MRAM的固态硬盘控制芯片与NAND芯片通过3D SIC技术叠合在一起再封装成一个芯片，直接贴片在主机的主板上，这样组成的固态硬盘比现有技术中的固态硬盘尺寸小得多，能够用在手机以及轻薄的笔记本中。
[0041]本发明还提供一种对上述固态硬盘进行读操作的方法，约定一段主机内存空间内的逻辑地址作为命令与数据传输区，由主机接口控制器负责储存输入输出数据或把该段逻辑地址映射到MRAM的一个区域，包括以下步骤:
[0042](I)主机CPU发出读NAND页的指令，向命令与数据传输区写入所需读的NAND页地址；
[0043](2)集成MRAM的固态硬盘控制芯片内，主机接口控制器将读指令和NAND