フラッシュメモリコントローラ

フラッシュメモリコントローラ（またはフラッシュコントローラ）は、フラッシュメモリ（通常はNANDフラッシュ）に保存されたデータを管理し、コンピュータまたは電子デバイスと通信します。フラッシュメモリコントローラは、メモリカードや、 PDA、携帯電話などで使用される他の同様のメディアのように、低デューティサイクル環境で動作するように設計できます。USBフラッシュドライブは、低デューティサイクルでUSBポートを介してパーソナルコンピュータと通信するように設計されたフラッシュメモリコントローラを使用します。フラッシュコントローラは、ラップトップコンピュータシステムのデータストレージとして使用されるソリッドステートドライブ（SSD）からミッションクリティカルなエンタープライズストレージアレイまで、高デューティサイクル環境向けに設計することもできます。^[1]

フラッシュ ストレージ デバイスが最初に製造された後、フラッシュ コントローラは最初にフラッシュ メモリをフォーマットするために使用されます。これにより、デバイスが正常に動作していることを確認し、不良なフラッシュ メモリ セルをマップし、将来故障したセルの代わりに予備セルを割り当てます。予備セルの一部は、コントローラを操作するファームウェアや特定のストレージ デバイスのその他の特別な機能を保持するためにも使用されます。ディレクトリ構造が作成され、コントローラが論理セクターの要求を実際のフラッシュ メモリ チップ上の物理的な場所に変換できるようになります。^[1]

システムまたはデバイスがフラッシュ メモリからデータを読み取ったり、フラッシュ メモリにデータを書き込んだりする必要がある場合、フラッシュ メモリ コントローラと通信します。SD カードや USB フラッシュ ドライブなどのよりシンプルなデバイスでは、通常、少数のフラッシュ メモリ ダイが同時に接続されています。操作は個々のフラッシュ メモリ ダイの速度に制限されます。対照的に、高性能ソリッド ステート ドライブでは、並列通信パスで構成されたダイがさらに多くあり、単一のフラッシュ ダイよりも何倍も高速になります。^[要出典]

フラッシュメモリは、限られた回数のプログラムと消去のサイクルに耐えることができます。特定のフラッシュメモリブロックが他のブロックに書き込むことなく繰り返しプログラムおよび消去された場合、そのブロックは他のすべてのブロックよりも先に消耗し、ストレージデバイスの寿命が早く終わります。このため、フラッシュコントローラはウェアレベリングと呼ばれる技術を使用して、SSD内のすべてのフラッシュブロックに可能な限り均等に書き込みを分散します。理想的なシナリオでは、これによりすべてのブロックが最大寿命まで書き込まれるため、すべてのブロックが同時に故障します。^[2]

通常、フラッシュ メモリ コントローラには、ファイル システムの下にある「フラッシュ変換層」(FTL) も含まれます。これは、ホスト側またはファイル システムの論理ブロック アドレス (LBA) をフラッシュ メモリの物理アドレスにマッピングする層です (論理から物理へのマッピング)。LBA は、セクター番号と 512 バイトのマッピング ユニットを参照します。ファイル システムが認識して管理する論理サイズを表すすべての LBA は、フラッシュの物理的な場所 (ブロック ID、ページ ID、セクター ID) にマッピングされます。ウェアレベリングやその他のフラッシュ管理アルゴリズム (不良ブロック管理、読み取り妨害管理、安全なフラッシュ処理など) の一部として、LBA の物理的な場所は頻繁に動的に変更される可能性があります。FTL のマッピング ユニットは異なる場合があり、LBA はブロック ベース、ページ ベース、またはサブページ ベースでマッピングされます。使用パターンによっては、マッピングの粒度を細かくすることでフラッシュの消耗を大幅に減らし、フラッシュ ベースのストレージ メディアの耐久性を最大限に高めることができます。^{[3] [4] [5]}冗長データや重複書き込みを排除する重複排除機能もFTLに追加されています。^[6]

FTL メタデータは独自のフラッシュ スペースを占有するため、電源喪失の場合には保護が必要です。さらに、マッピング テーブルがフラッシュ メモリの他の部分よりも先に消耗し、ストレージ デバイスの寿命が早く終わってしまう可能性があります。エンタープライズ デバイスでは、通常、スペア用に大きめのスペースを割り当てることでこれを回避しますが、 FTL ではMRAMなどのより耐久性の高いストレージ形式も提案されています。^{[引用が必要]}

FTL には、ページ マッピング、ブロック マッピング、ハイブリッド マッピングの 3 つのタイプがあります。ページ マッピングはパフォーマンスが高くなりますが、FTL メタデータのサイズが大きく、コストが高くなるため、通常はソリッドステート ドライブで使用されます。ブロック マッピングはメタデータのサイズが小さく、コストが低くなりますが、パフォーマンスが低くなるため、通常はUSB フラッシュ ドライブで使用されます。ページ マッピング FTL 実装では、FTL メタデータのサイズとストレージ容量の比率は通常 1:1000 です。たとえば、1 TB のフラッシュ ストレージ デバイスには 1 GB の FTL メタデータが含まれる場合があります。

ソリッドステートストレージデバイスのすべてのブロックに一度書き込みが行われると、フラッシュコントローラは、現在のデータがなくなった初期ブロック（古いブロックとも呼ばれる）のいくつかに戻る必要があります。これらのブロックのデータは新しく書き込まれたブロックに置き換えられ、新しいデータを書き込むために消去されるのを待っています。これはガベージコレクション（GC）と呼ばれるプロセスです。すべてのSSD、CFカード、およびその他のフラッシュストレージデバイスには、ある程度のガベージコレクションが含まれています。フラッシュコントローラがこれを行う速度は異なる場合があります。^[7]