Comment relever les défis de l'approvisionnement en mémoire Flash

Les difficultés d'approvisionnement dans l'industrie électronique ne sont pas nouvelles. Chaque année, des catastrophes naturelles telles que des typhons, des ouragans et des tremblements de terre affectent l'industrie de fabrication et d'assemblage de semi-conducteurs dans le monde entier. Pendant que les coûts humains sont évalués et que les équipes d'intervention sont chargées de fournir un soutien et une assistance, les équipes d'achat et de vente doivent travailler ensemble pour déterminer l'ampleur de l'impact commercial. En raison de la grande spécialisation de chaque usine de fabrication, souvent seuls certains semi-conducteurs ou dispositifs de conditionnement sont concernés. La force de la chaîne d'approvisionnement est telle que ceux qui fournissent des composants par l'intermédiaire de distributeurs ne ressentent parfois pas ces effets. Cependant, depuis l'arrivée du coronavirus au début de 2020 et la mise en place d'initiatives pour lutter contre sa propagation, il y a eu une série de réactions en chaîne qui ont considérablement affecté l'approvisionnement en semi-conducteurs.

Pourquoi ce manque d'approvisionnement s'est-il produit?

En introduisant des restrictions pour limiter les contacts entre les personnes, de nombreuses entreprises manufacturières ont été contraintes de fermer temporairement. Dans le même temps, la demande de produits haut de gamme tels que les produits privés et commerciaux a diminué alors que les consommateurs commençaient à tenir compte de l'incertitude économique. Les industries touchées par ces changements ont annulé leurs commandes de semi-conducteurs. Dans le même temps, alors que tout le monde apprenait et travaillait à domicile, la demande de produits tels que les tablettes, les moniteurs et les ordinateurs portables a explosé. Les fournisseurs de semi-conducteurs ont poussé leur capacité de production à la limite avec ces nouvelles commandes pour répondre à une telle demande. Alors que les restrictions de verrouillage étaient assouplies, une situation s'est produite où les commandes annulées étaient réexpédiées vers des usines qui fonctionnaient déjà à pleine capacité. Il faut généralement plusieurs mois pour produire des dispositifs semi-conducteurs complexes, de sorte que le processus de production de tranches ne démarre que s'il y a suffisamment de commandes prévues pour un produit donné. Actuellement, le secteur s'efforce de prioriser la fabrication afin de satisfaire le plus de clients possible, mais il n'est tout de même pas possible d'approvisionner tout le monde.

Cela a conduit les équipes d'achat et les ingénieurs de conception à collaborer pour évaluer les stratégies d'atténuation appropriées. Les dispositifs semi-conducteurs hautement spécialisés, tels que les microcontrôleurs et les solutions analogiques avancées, sont difficiles à remplacer. Cependant, les mémoires Flash, avec leurs brochages et interfaces standardisés, semblent être un compromis moins compliqué, du moins en théorie. Cependant, comme toujours, les difficultés résident dans les détails les plus fins, et si un appareil tiers n'est pas approuvé au cours du processus de développement, il est peu probable qu'un simple remplacement d'appareil suffise. Même si une autre mémoire Flash fonctionne du premier coup, il peut y avoir des problèmes cachés qui entraînent une défaillance prématurée sur le terrain en raison d'une usure plus importante que prévu.

NAND SLC

SLC NAND Flash, disponible avec des interfaces série et parallèle, offre un niveau relativement élevé de compatibilité entre les fournisseurs. Sur le plan physique, le placement des broches et des packs devrait être le même, bien que la soudabilité et l'adéquation des bobines pour l'équipement de placement doivent encore être revues. Au niveau de l'interface matérielle, Serial NAND utilise SPI. En raison des différentes manières dont l'interface peut être implémentée dans les microcontrôleurs (MCU) et les systèmes sur puces (SoC), une configuration de test de base doit être créée pour garantir l'accès à la mémoire flash. Il en va de même pour la mémoire flash NAND parallèle, où la synchronisation des signaux peut nécessiter un ajustement à l'aide des registres internes du MCU ou du SoC.

Et cela nous amène au prochain défi, qui est le logiciel. Si le code d'application a suivi les bonnes pratiques avec des contrôleurs de bas niveau lors de la gestion de l'interface et avec des contrôleurs de haut niveau lors de la gestion des détails spécifiques de la mémoire externe et du système de fichiers, toute modification du code devrait être raisonnablement simple. Les ajustements peuvent nécessiter l'ajout d'un support de journalisation supplémentaire ou la modification du code pour prendre en charge une implémentation de journalisation complètement différente. Des appareils tels que l'interface série NAND de Kioxia disposent d'une prise en charge du code de correction d'erreur matérielle (ECC) qui peut être activée ou désactivée. Le réglage par défaut de l'ECC activé, ou la méthode spécifique pour le désactiver, peut ne pas correspondre à celui de l'appareil à remplacer. Des appareils comme le BENAND™ de Kioxia intègrent un ECC capable de corriger les erreurs sur 8 bits et de détecter les erreurs sur 9 bits. Cependant, le SLC NAND parallèle du dernier nœud technologique 24 nm de Kioxia s'appuie sur un processeur hôte pour générer un ECC 8 bits pour chaque bloc de mémoire de 512 octets.

Lorsque 5 ou 6 bits erronés sont détectés, le firmware se charge de réécrire tout le bloc. Inutile de dire que ce processus augmente l'usure de la mémoire même lorsqu'aucune opération d'écriture au niveau de l'application n'a été effectuée sur le logiciel. L'équipe d'ingénierie devra comparer soigneusement les fiches techniques de la mémoire Flash initialement choisie avec la solution de remplacement pour comprendre comment ces écritures mémoire supplémentaires affecteront la durée de vie du stockage flash.

Flash géré : e-MMC et UFS

Avec le plus haut niveau de normalisation dans le monde des périphériques flash gérés, il est un peu plus facile de changer de fournisseur pour le stockage e-MMC et UFS. La norme JESD84-B51A de JEDEC, version 5.1a, définit les caractéristiques et l'interface électrique de l'e-MMC. Arrivé sur le marché en 2019, il ne devrait pas subir d'autres modifications à l'avenir, ce qui réduirait la probabilité de problèmes d'interopérabilité physique entre les SoC et le stockage.

Les dispositifs e-MMC offrent des registres de cycle d'écriture et de suppression séparés pour leurs blocs "boostés" (pSLC) et "normaux" (MLC/TLC). Cependant, ces enregistrements « d'état de santé » n'augmentent que par paliers de 10 %, ce qui n'est pas très granulaire.

De plus, ces informations ne fournissent que des indications sur la santé de la mémoire. Lire "100% utilisé" dans ce journal ne signifie pas que le dispositif Flash ne fonctionne pas, pas plus qu'un pneu de marque bon marché n'indique qu'un accident est sur le point de se produire. Cela indique simplement que la catastrophe est plus probable.

L'UFS est plus moderne et dispose de la norme JEDEC JESD220E, également appelée version 3.1, disponible depuis début 2020. Grâce à ses performances nettement supérieures, il s'est rapidement imposé comme l'option de stockage de choix en mobile et gagne des parts de marché. dans le secteur automobile (figure 1). À l'heure où les développeurs souhaitent en savoir plus sur la santé de leur stockage pour améliorer l'expérience utilisateur, il est prévu que la norme continue d'être mise à jour pour répondre à ces besoins.

Bien qu'un échange physique initial de supports de stockage Flash puisse produire de bons résultats, il est nécessaire de comprendre comment le contrôleur interne gère les données. Alors que l'application ne peut effectuer qu'un certain nombre d'écritures de données, le pilote Flash peut entraîner une suppression de données et des écritures de page supplémentaires en tentant de réorganiser l'espace mort inutilisé (Figure 2). La disparité entre les écritures d'application par le SoC hôte et les écritures effectuées sur les cellules flash brutes est connue sous le nom de facteur d'amplification d'écriture (WAF). Un WAF parfait serait de 1, mais une bonne valeur cible pour une application typique est de 4 (figure 3).

La façon exacte dont les écritures de l'hôte sont traduites en écritures de cellule Flash dépend du fournisseur de stockage Flash. Ainsi, bien que la charge de travail ait pu être évaluée lors de l'achat de la solution de stockage Flash d'origine, le processus de test devra être répété avec le nouveau fournisseur de périphérique choisi.

Cherchez de l'aide et obtenez-la rapidement

En raison du niveau élevé de compatibilité au niveau des broches et des paquets, et d'une standardisation ou d'une similitude dans l'interconnexion de stockage Flash, on peut rapidement supposer que fournir un périphérique alternatif sera simple. Cependant, la réalité est très différente. La normalisation simplifie considérablement le processus, mais vous devez comprendre les différences matérielles subtiles, qui ne sont pas toujours visibles sur les fiches techniques des appareils. En cas de problèmes d'approvisionnement à l'avenir, il est fortement recommandé de contacter les fournisseurs Flash pour discuter de vos besoins dans les plus brefs délais. Les équipes d'ingénieurs seront en mesure d'analyser les traces de charge de travail et de fournir des conseils sur les modifications nécessaires lors du changement de fournisseur de périphériques de stockage. De plus, les équipes commerciales peuvent également vous conseiller sur les délais de livraison. Étant donné que le délai de livraison du stockage Flash est de plusieurs mois, les fournisseurs apprécieront d'avoir des informations à l'avance sur leurs demandes pour s'assurer que vous recevez les produits que vous voulez quand vous en avez besoin.