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플래시 메모리 컨트롤러

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목차

1. 개요

플래시 메모리 컨트롤러는 플래시 메모리 저장 장치를 초기화하고 관리하는 데 사용되는 장치이다. 초기화 과정에서 불량 메모리 셀을 식별하고 예비 셀을 할당하며, 펌웨어를 저장하고, 논리 주소를 물리적 주소로 변환하는 디렉터리 구조를 생성한다. 컨트롤러는 데이터를 읽고 쓰고 지우는 작업을 제어하며, 마모 평준화 기술을 통해 플래시 메모리의 수명을 연장한다. 또한, 플래시 변환 계층(FTL)을 포함하여 논리 블록 주소를 물리적 주소로 매핑하고, 가비지 컬렉션을 수행하여 사용하지 않는 블록을 정리한다. FTL은 페이지 매핑, 블록 매핑, 하이브리드 매핑의 세 가지 유형으로 나뉘며, 각 유형은 성능과 비용 측면에서 차이를 보인다.

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플래시 메모리 컨트롤러
개요
유형집적 회로
기능NAND 플래시 메모리 컨트롤러
용도전자 장치에서 NAND 플래시 메모리와 호스트 간의 인터페이스
상세 기능
주요 기능데이터 읽기, 쓰기 및 삭제 관리
웨어 레벨링
ECC
불량 블록 관리
인터페이스호스트: USB, PCIe, SATA, 병렬 인터페이스
메모리: NAND 플래시
특징
성능높은 입출력 속도
낮은 지연 시간
신뢰성ECC를 통한 데이터 무결성 유지
웨어 레벨링을 통한 수명 연장
전력 효율낮은 전력 소비
활용 분야
주요 응용 분야SSD
USB 플래시 드라이브
SD 카드
임베디드 시스템
중요 고려 사항미션 크리티컬 시스템 및 미디어
추가 정보
동작 원리호스트의 요청을 받아 NAND 플래시 메모리에 데이터를 읽고 쓰거나 삭제하는 작업을 수행하고, 웨어 레벨링 및 ECC와 같은 기능을 통해 메모리의 성능, 신뢰성 및 수명을 관리함.
중요성NAND 플래시 메모리의 성능과 신뢰성을 결정하는 핵심 부품이며, SSD, USB 플래시 드라이브 및 SD 카드와 같은 다양한 저장 장치에서 중요한 역할을 수행함.
참고 자료Flash Memory Guide

2. 초기 설정

플래시 메모리 컨트롤러는 플래시 저장 장치가 처음 제조될 때 플래시 메모리를 포맷하고 초기화한다. 이 과정에서 장치의 정상 작동 여부를 확인하고, 불량 셀을 관리하며, 펌웨어를 저장한다.[1]

2. 1. 초기화 및 불량 셀 관리

플래시 저장 장치가 처음 제조된 후, 플래시 컨트롤러는 플래시 메모리를 포맷하는 데 사용된다.[1] 이는 장치가 제대로 작동하는지 확인하고, 불량 플래시 메모리 셀을 매핑하며, 향후 고장날 셀을 대체할 예비 셀을 할당한다.[1] 예비 셀의 일부는 컨트롤러를 작동시키고 특정 저장 장치에 대한 다른 특수 기능을 수행하는 펌웨어를 저장하는 데에도 사용된다.[1] 컨트롤러가 논리 섹터에 대한 요청을 실제 플래시 메모리 칩의 물리적 위치로 변환할 수 있도록 디렉터리 구조가 생성된다.[1]

2. 2. 펌웨어 저장

예비 셀의 일부는 컨트롤러 작동 및 특정 저장 장치의 기타 특수 기능을 수행하는 펌웨어를 유지하는 데에도 사용된다.[14]

3. 기본 작동

호스트 시스템(컴퓨터, 스마트폰 등)이 플래시 메모리에서 데이터를 읽거나, 쓰거나, 지울 때 플래시 메모리 컨트롤러와 통신한다. USB 플래시 드라이브나 SD 카드와 같은 단순한 장치는 일반적으로 동시에 연결된 적은 수의 플래시 메모리 다이(memory die)가 있다.

3. 1. 읽기/쓰기/지우기

시스템 또는 장치가 플래시 메모리에서 데이터를 읽거나, 쓰거나, 지우려면 플래시 메모리 컨트롤러와 통신해야 한다. USB 플래시 드라이브나 SD 카드와 같은 간단한 장치는 일반적으로 소수의 플래시 메모리 다이(memory die)가 동시에 연결되어 있다.

이러한 장치의 작동 속도는 개별 플래시 메모리 다이의 속도에 제한된다. 반면에 고성능 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)는 100개 이상의 다이를 병렬 통신 경로를 갖춘 매트릭스로 구성하여 단일 플래시 다이보다 몇 배 빠른 속도를 제공한다.

4. 웨어 레벨링 (Wear Leveling)

플래시 메모리는 프로그램-삭제 주기가 제한되어 있다. 특정 플래시 메모리 블록이 다른 블록보다 먼저 마모되면 저장 장치의 수명이 단축될 수 있다. 이러한 이유로 플래시 컨트롤러는 웨어 레벨링 기술을 사용하여 SSD의 모든 플래시 블록에 쓰기를 고르게 분산한다. 이 기술을 통해 모든 블록이 최대 수명까지 기록될 수 있어, 모든 블록이 동시에 고장 나게 된다.[15]

4. 1. 작동 원리

플래시 메모리는 프로그램-지우기 횟수에 제한이 있다. 특정 플래시 메모리 블록이 다른 블록에 쓰지 않고 반복적으로 프로그래밍되고 지워지면, 해당 블록 하나가 다른 모든 블록보다 먼저 마모되어 저장 장치의 수명이 조기에 종료된다.[15] 이러한 이유로 플래시 컨트롤러는 마모 평준화라는 기술을 사용하여 쓰기 작업을 SSD의 모든 플래시 블록에 가능한 한 균등하게 분산시킨다. 완벽한 시나리오에서는 이를 통해 모든 블록이 최대 수명까지 기록될 수 있으므로 모든 블록이 동시에 고장 난다.[2]

4. 2. 중요성

플래시 메모리는 프로그램-지우기 사이클 횟수가 제한되어 있다. 특정 플래시 메모리 블록이 다른 블록보다 먼저 마모되면 저장 장치의 수명이 조기에 종료된다.[15] 플래시 컨트롤러는 마모 평준화 기술을 사용하여 SSD의 모든 플래시 블록에 쓰기 작업을 균등하게 분산한다. 모든 블록이 최대 수명까지 사용되면 동시에 고장 난다.[2]

5. 플래시 변환 계층 (FTL: Flash Translation Layer)

플래시 변환 계층(FTL: Flash Translation Layer)은 플래시 메모리 컨트롤러의 구성 요소 중 하나로, 호스트 시스템에서 사용하는 논리적 주소(LBA)를 플래시 메모리의 물리적 주소로 변환하는 역할을 수행한다.[3][4][5] FTL은 플래시 파일 시스템의 하위 계층으로 볼 수 있다.

FTL의 주요 기능은 다음과 같다.


  • 논리-물리 주소 매핑: 호스트 측 또는 파일 시스템의 LBA를 플래시 메모리의 물리적 주소(블록 ID, 페이지 ID, 섹터 ID)로 매핑한다.
  • 웨어 레벨링 지원: 웨어 레벨링 및 기타 플래시 관리 알고리즘(불량 블록 관리, 읽기 방해 관리, 안전한 플래시 처리 등)을 지원하여 LBA의 물리적 위치를 동적으로 변경한다.[10][11][12]
  • 다양한 매핑 단위: FTL의 매핑 단위는 블록, 페이지 또는 하위 페이지 기반으로 달라질 수 있으며, 사용 패턴에 따라 더 세밀한 매핑을 통해 플래시 수명을 늘릴 수 있다.[16][17][18]


FTL은 자체 플래시 공간에 메타데이터를 저장하며, 정전 시에도 데이터 손실을 방지하기 위한 보호 기능이 필요하다. 또한, 매핑 테이블이 플래시 메모리의 다른 부분보다 먼저 마모되어 저장 장치의 수명이 단축되는 것을 막기 위해 예비 공간을 할당하거나, MRAM과 같은 내구성이 강한 저장 장치를 사용하기도 한다.

5. 1. 논리-물리 주소 매핑

일반적으로 플래시 메모리 컨트롤러에는 호스트 측 또는 파일 시스템의 LBA(논리 블록 주소)를 플래시 메모리의 물리적 주소로 매핑하는 기능이 있다(논리-물리 주소 매핑). LBA는 섹터 번호와 512바이트의 매핑 단위를 나타낸다. 파일 시스템에 표시되고 관리되는 논리적 크기를 나타내는 모든 LBA는 플래시의 물리적 위치(블록 ID, 페이지 ID 및 섹터 ID)에 매핑된다. 웨어 레벨링 및 기타 플래시 관리 알고리즘(불량 블록 관리, 읽기 방해 관리, 안전한 플래시 처리 등)의 일부로 LBA의 물리적 위치는 동적으로 자주 변경될 수 있다.[16][17][18] FTL의 매핑 단위는 LBA가 블록, 페이지 또는 하위 페이지 기반으로 매핑되도록 다를 수 있다. 사용 패턴에 따라 세밀하게 매핑하면 플래시 마모를 크게 줄이고 플래시 기반 저장 매체의 내구성을 최대화할 수 있다.

FTL 메타 데이터는 자체 플래시 공간을 차지하므로 정전 시에도 보호가 필요하다. 또한 플래시 메모리의 다른 부분이 마모되기 전에 매핑 테이블이 마모되어 저장 장치의 수명이 조기에 종료될 수 있다. 이는 일반적으로 예비를 위한 초대형 공간을 할당하여 엔터프라이즈 장치에서 방지된다. FTL에 대해서도 MRAM과 같은 보다 내구성 있는 형태의 저장장치가 제안되었다.

5. 2. FTL의 종류와 특징

플래시 변환 계층(FTL, '''F'''lash '''T'''ranslation '''L'''ayer)은 플래시 메모리 컨트롤러에 포함되는 경우가 많으며, 호스트 측 또는 파일 시스템의 논리 블록 주소(LBA)를 플래시 메모리의 물리적 주소로 매핑한다(논리-물리 주소 매핑). LBA는 섹터 번호와 512바이트의 매핑 단위를 나타내며, 파일 시스템에서 관리되는 논리적 크기를 의미한다. 모든 LBA는 플래시의 물리적 위치(블록 ID, 페이지 ID, 섹터 ID)에 매핑된다. 웨어 레벨링 및 기타 플래시 관리 알고리즘(불량 블록 관리, 읽기 방해 관리, 안전 플래시 처리 등)에 의해 LBA의 물리적 위치는 동적으로 자주 변경될 수 있다.[10][11][12]

FTL의 매핑 단위는 LBA가 블록, 페이지 또는 하위 페이지 기반으로 매핑되도록 다를 수 있는데, 사용 패턴에 따라 더 세밀하게 매핑하면 플래시 마모를 크게 줄이고 플래시 기반 저장 매체의 내구성을 최대화할 수 있다.[16][17][18] FTL에는 중복 데이터를 제거하여 쓰기 효율성을 높이는 중복 제거 기능이 추가되기도 한다.[6]

FTL 메타데이터는 자체 플래시 공간을 차지하므로 정전 시에도 보호가 필요하다. 매핑 테이블이 플래시 메모리의 다른 부분보다 먼저 마모되어 저장 장치의 수명이 조기에 종료될 수 있는데, 이는 일반적으로 예비 공간을 더 크게 할당하여 엔터프라이즈 장치에서 방지한다. MRAM과 같이 더 내구성이 강한 저장 장치가 FTL에 제안되기도 한다.

FTL은 페이지 매핑, 블록 매핑, 하이브리드 매핑의 세 가지 유형으로 나뉜다.

매핑 방식특징장점단점사용처
페이지 매핑성능이 높음FTL 메타데이터 크기가 크고 비용이 높음SSD
블록 매핑메타데이터 크기가 작고 비용이 낮음성능이 낮음USB 플래시 드라이브
하이브리드 매핑페이지 매핑과 블록 매핑의 혼합



페이지 매핑 FTL 구현에서 FTL 메타데이터 크기와 저장 용량의 비율은 일반적으로 1:1000이다. 예를 들어 1TB 플래시 저장 장치는 1GB의 FTL 메타데이터를 가질 수 있다.

5. 3. 메타데이터 관리

플래시 메모리 컨트롤러는 호스트 측 또는 파일 시스템의 논리 블록 주소(LBA)를 플래시 메모리의 물리적 주소로 매핑하는 FTL(플래시 변환 계층)을 포함한다. LBA는 섹터 번호와 512바이트의 매핑 단위를 나타내며, 파일 시스템에서 관리되는 논리적 크기를 나타내는 모든 LBA는 플래시의 물리적 위치(블록 ID, 페이지 ID, 섹터 ID)에 매핑된다.[16][17][18] 웨어 레벨링 등 플래시 관리 알고리즘으로 인해 LBA의 물리적 위치는 동적으로 자주 변경될 수 있다. FTL의 매핑 단위는 블록, 페이지 또는 하위 페이지 기반으로 다를 수 있으며, 사용 패턴에 따라 세밀하게 매핑하면 플래시 마모를 줄이고 내구성을 최대화할 수 있다.[16][17][18]

FTL 메타데이터는 자체 플래시 공간을 차지하므로 전원 손실 시에도 보호가 필요하다. 매핑 테이블이 플래시 메모리의 다른 부분보다 먼저 마모되어 저장 장치의 수명이 조기에 종료될 수 있는데, 이는 일반적으로 예비 공간을 더 크게 할당하여 방지한다. MRAM과 같은 더 내구성이 강한 저장 장치가 FTL에 제안되기도 한다.

6. 가비지 컬렉션 (Garbage Collection)

플래시 메모리 컨트롤러는 솔리드 스테이트 저장 장치(SSD, CF 카드 등)에서 더 이상 유효하지 않은 데이터(쓰레기)가 저장된 블록을 정리하여 새로운 데이터를 쓸 수 있는 공간을 확보한다. 이 과정을 가비지 컬렉션(GC)이라고 하며, 모든 플래시 저장 장치에 일정 수준 포함되어 있다. 플래시 컨트롤러가 가비지 컬렉션을 수행하는 속도는 다를 수 있다.[19][7]

6. 1. 작동 원리

솔리드 스테이트 저장 장치의 모든 블록이 한 번 기록되면, 플래시 컨트롤러는 더 이상 현재 데이터가 없는 초기 블록(부실 블록 또는 만료된 블록이라고도 함)으로 돌아가야 한다. 이 블록의 데이터는 새로 기록된 블록으로 대체되었으며, 이제 새 데이터를 기록할 수 있도록 삭제되기를 기다리고 있다. 이것은 가비지 컬렉션(GC)이라고 하는 프로세스이다. 모든 SSD, CF 카드 및 기타 플래시 저장 장치에는 일정 수준의 가비지 컬렉션이 포함된다. 플래시 컨트롤러가 이를 수행하는 속도는 다를 수 있다.[19][7]

6. 2. 중요성

솔리드 스테이트 저장 장치의 모든 블록이 한 번 기록되면, 플래시 컨트롤러는 더 이상 현재 데이터가 없는 초기 블록(부실 블록 또는 만료된 블록이라고도 함)으로 돌아가야 한다. 이러한 블록의 데이터는 새로 기록된 블록으로 대체되었으며, 이제 새 데이터를 기록할 수 있도록 삭제되기를 기다리고 있다. 이것은 가비지 컬렉션(GC)이라고 하는 프로세스이다.[19][7] 모든 SSD, CF 카드 및 기타 플래시 저장 장치에는 일정 수준의 가비지 컬렉션이 포함된다. 플래시 컨트롤러가 이를 수행하는 속도는 다를 수 있다.[19][7]

7. 대한민국과 플래시 메모리 컨트롤러

Flash Memory Controller영어 기술은 대한민국 기업들이 주도적으로 개발하고 있다. 삼성전자는 낸드 플래시 메모리 시장에서 높은 점유율을 차지하고 있으며, 컨트롤러 기술 개발에도 적극적으로 투자하고 있다. SK 하이닉스 역시 낸드 플래시 메모리 및 컨트롤러 기술 경쟁력을 강화하고 있다.

참조

[1] 웹사이트 Flash Memory Guide http://media.kingsto[...] kingston.com 2013-03-07
[2] CiteSeerX On Efficient Wear Leveling for Large Scale Flash Memory Storage Systems 2007-03-11
[3] 웹사이트 Design Tradeoffs in a Flash Translation Layer http://drona.csa.iis[...]
[4] 웹사이트 Understanding Flash: The Flash Translation Layer http://flashdba.com/[...] 2014-09-17
[5] 웹사이트 New flash management architecture enables MLC for industrial storage https://web.archive.[...] 2015-02
[6] conference CAFTL: a content-aware flash translation layer enhancing the lifespan of flash memory based solid state drives https://dl.acm.org/d[...]
[7] 웹사이트 SSDs - Write Amplification, TRIM and GC http://www.oczenterp[...] OCZ Technology 2010-05-31
[8] 웹사이트 Flash Memory Guide http://media.kingsto[...] kingston.com 2013-03-07
[9] Citation2 On Efficient Wear Leveling for Large Scale Flash Memory Storage Systems National ChiaoTung University, HsinChu, Taiwan 2007-03-11
[10] 웹사이트 Design Tradeoffs in a Flash Translation Layer http://drona.csa.iis[...]
[11] 웹사이트 Understanding Flash: The Flash Translation Layer http://flashdba.com/[...] 2014-09-17
[12] 웹사이트 New flash management architecture enables MLC for industrial storage http://files.iccmedi[...] 2015-02
[13] 웹사이트 SSDs - Write Amplification, TRIM and GC https://web.archive.[...] OCZ Technology 2010-05-31
[14] 웹인용 Flash Memory Guide http://media.kingsto[...] kingston.com 2013-03-07
[15] 저널 On Efficient Wear Leveling for Large Scale Flash Memory Storage Systems National ChiaoTung University, HsinChu, Taiwan 2007-03-11
[16] 웹인용 Design Tradeoffs in a Flash Translation Layer http://drona.csa.iis[...]
[17] 웹인용 Understanding Flash: The Flash Translation Layer http://flashdba.com/[...] 2014-09-17
[18] 웹인용 New flash management architecture enables MLC for industrial storage http://files.iccmedi[...] 2015-02
[19] 웹인용 SSDs - Write Amplification, TRIM and GC https://web.archive.[...] OCZ Technology 2010-05-31


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