杜加友，王維建，樊凌雁，劉海鑾

(1.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州310018;2.杭州華瀾微科技有限公司，浙江 杭州311215)

0 引 言

NAND Flash(閃存)[1]是最近十幾年異軍突起的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件，在半導(dǎo)體領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。如今我們息息相關(guān)民用級(jí)的產(chǎn)品，小到優(yōu)盤、閃存卡、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、平板電腦等隨身移動(dòng)裝置閃存式數(shù)碼存儲(chǔ)產(chǎn)品，大到固態(tài)硬盤等產(chǎn)品的最重要組成部分正是NAND Flash 閃存芯片。NAND Flash閃存芯片又分為單階存儲(chǔ)單元(Single-level cell，SLC)，二階存儲(chǔ)單元(Multi-level cell，MLC)和三階存儲(chǔ)單元(Trinary-Level Cell，TLC)NAND 閃存。SLC是指一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)1 bit的數(shù)據(jù)，MLC是指一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)2 bit的數(shù)據(jù)，TLC是指一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)3 bit的數(shù)據(jù)。SLC 具有速度快，功耗低，壽命長(zhǎng)，出錯(cuò)率低等優(yōu)勢(shì)，而MLC 具有密度高，成本低等優(yōu)勢(shì)，TLC 密度高，但是壽命短，錯(cuò)誤率高。在海量存儲(chǔ)器中，MLC的應(yīng)用非常廣泛。相對(duì)于SLC，MLC 器件的速度慢，壽命短，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)出錯(cuò)率高，已有研究人員提出了損耗均衡[2-3]和強(qiáng)糾錯(cuò)能力的糾錯(cuò)器[4-5]來(lái)解決這些問題。本文針對(duì)MLC 器件的編程特點(diǎn)，提出了一種編程方法，可以提高M(jìn)LC的速度，降低出錯(cuò)率。

1 MLC Flash 分析

NAND Flash的基本單元是浮柵MOS晶體管。浮柵MOS晶體管與普通MOS晶體管的區(qū)別是在控制柵和硅襯底之間多了一個(gè)浮柵[1]，這個(gè)浮柵用來(lái)存儲(chǔ)電荷。浮柵被外面的氧化硅絕緣層所包圍，由于氧化硅絕緣層的絕緣性極佳，所以電荷一旦進(jìn)去了就不容易泄露出來(lái)，可以保存數(shù)年之久。NAND flash 對(duì)浮柵的充放電是通過(guò)在控制柵和襯底之間施加電壓，以使電子穿過(guò)氧化硅絕緣層進(jìn)出浮柵，而穿過(guò)氧化硅的電子數(shù)量取決于氧化硅的厚度和所通電壓的大小，這個(gè)技術(shù)被稱為F-N 隧道效應(yīng)。

對(duì)NAND Flash 進(jìn)行編程，通過(guò)在柵極施加一定的電壓，源極懸空，漏極和襯底接地，就可以使電子注入浮柵。對(duì)NAND Flash 擦除就是將源級(jí)和漏極浮空，柵極接地，在襯底接一個(gè)正電壓，在電場(chǎng)的作用下，浮柵中的電荷就被釋放出來(lái)。對(duì)NAND Flash 讀操作，將源極和柵極接地，將漏極接到感應(yīng)放大器上，當(dāng)漏極和源極導(dǎo)通，此時(shí)檢測(cè)漏極上的電壓，并和讀參考電壓比較就可以知道存儲(chǔ)單元里的電荷情況。

因?yàn)镾LC 存儲(chǔ)1 bit 信息，所以只要利用浮柵MOS晶體管的通斷來(lái)表示即可，如圖1所示。當(dāng)浮柵被注入電荷后，由于浮柵中電荷的感應(yīng)作用，在源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道，這時(shí)即使不在柵極上施加電壓，晶體管也處于導(dǎo)通狀態(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為‘0’。當(dāng)浮柵中沒有電荷時(shí)，只有當(dāng)控制極上施加到閾值電壓，源極和漏極才能導(dǎo)通，也就是說(shuō)在沒有給柵極施加到閾值電壓時(shí)，晶體管是截止的，讀取的數(shù)據(jù)為‘1’。

但是MLC的基本單元存儲(chǔ)2個(gè)bit 信息，對(duì)應(yīng)有‘11’，‘10’，‘01’，‘00’4種狀態(tài)，如圖2所示。這樣就不能簡(jiǎn)單判斷MOS 導(dǎo)通與否來(lái)確定浮柵中的電子數(shù)量，而必須通過(guò)精確控制浮柵晶體管的閾值電壓，根據(jù)不同的編程狀態(tài)精確控制進(jìn)入浮柵的電子數(shù)量。由于MLC 有4種狀態(tài)，所以需要有3個(gè)參考電壓，相對(duì)于SLC，參考電壓之間的間隔變小，需要精確控制，導(dǎo)致FLASH 編程和校驗(yàn)的時(shí)間增多，影響了FLASH的性能。

圖1 SLC參考電壓

圖2 MLC參考電壓

2 提高M(jìn)LC效能的方法

MLC 每個(gè)單元的2個(gè)bit 信息是分布在低比特頁(yè)(Least Significant Bit Page，LSB page)和高比特頁(yè)(Most Significant Bit Page，MSB page)兩個(gè)關(guān)聯(lián)的頁(yè)中。這兩個(gè)關(guān)聯(lián)的頁(yè)被稱之為對(duì)偶頁(yè)(Paired Page或Shared Page)。由于兩個(gè)比特信息都在同一浮柵內(nèi)，所以這兩個(gè)頁(yè)的狀態(tài)會(huì)互相影響。假設(shè)LSB page 已經(jīng)正確編程完，當(dāng)對(duì)MSB page 編程時(shí)，如果此時(shí)異常掉電或是復(fù)位，不僅MSB Page的數(shù)據(jù)會(huì)損壞，已經(jīng)編程過(guò)的LSB Page的數(shù)據(jù)也會(huì)損壞，這樣會(huì)影響到MLC的數(shù)據(jù)完整性及可靠性。MLC 單元狀態(tài)如表1所示。從表1中可以看出，假如MSB和LSB為‘10’(狀態(tài)2)，當(dāng)對(duì)MSB page 寫‘0’，這時(shí)就需要從狀態(tài)2 經(jīng)過(guò)狀態(tài)3，最后達(dá)到狀態(tài)4，如果到達(dá)狀態(tài)3時(shí)異常掉電或是復(fù)位，那么LSB page的內(nèi)容也改變了。

表1 MLC 單元狀態(tài)

本文提出了將MLC 使用類SLC的編程方式，提高M(jìn)LC的速度及可靠性。

如圖2所示，當(dāng)塊擦除后，單元的狀態(tài)為‘11’(即狀態(tài)1)。當(dāng)LSB Page 寫‘0’，而MSB Page 保持在‘1’時(shí)，此時(shí)單元的狀態(tài)為‘10’(即狀態(tài)2)。同時(shí)，當(dāng)LSB Page 保持在‘1’，而MSB Page 寫‘0’時(shí)，那么單元的狀態(tài)為‘01’(即狀態(tài)3)。當(dāng)LSB Page和MSB Page 都同時(shí)寫‘0’，此時(shí)單元的狀態(tài)為‘00’(即狀態(tài)4)。

單元從狀態(tài)1 到狀態(tài)4，只能一級(jí)一級(jí)提高電壓對(duì)浮柵充電而逐級(jí)遞增上去，不能跳躍。因此如果在Paired Page中，只對(duì)LSB page 編程，狀態(tài)只要從狀態(tài)1 轉(zhuǎn)換到狀態(tài)2 即可，不需要到狀態(tài)4，這樣可以縮短編程的時(shí)間，提高性能。

對(duì)MSB page 編程，NAND Flash 要先把LSB page的數(shù)據(jù)讀出，然后再對(duì)LSB page和MSB Page 同時(shí)編程，這種編程方式也導(dǎo)致MLC 性能的降低，而只對(duì)LSB page 編程，就可以排除這個(gè)干擾。同時(shí)，由于LSB Page 單元中只有1個(gè)bit 發(fā)生變化，且沒有對(duì)MSB Page 編程，避免MSB Page 編程時(shí)對(duì)LSB Page數(shù)據(jù)的影響，這樣就降低了LSB Page的出錯(cuò)率，以及提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用MT29F64G08CBAA 進(jìn)行驗(yàn)證分析[6]。MT29F64G08CBAA的Paired page 對(duì)應(yīng)關(guān)系圖3所示。Page 0(LSB Page)和Page 4(MSB Page)為Paired Page，這里同時(shí)選擇Microm SLC FLASH MT29F32G08ABAAA[7]作為參考，三者的編程時(shí)間比較如表2所示。

圖3 MT29F64G08CBAA的Paired page 對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

表2 編程時(shí)間比較

從表2可以看出，對(duì)Page 0 編程時(shí)間僅為0.381 ms，和SLC的編程時(shí)間相差不多。而對(duì)Page 4的編程時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)1.85 ms。因此如果只對(duì)LSB page 編程，那么編程速度可以得到很大的提高。

在實(shí)際的FLASH控制器上使用ATTO Disk Benchmark 軟件進(jìn)行速度測(cè)試，未使用類SLC編程方式時(shí)，寫速度為7.5 MB/s，而使用類SLC編程方式后，寫速度達(dá)到12.3 MB/s，接近SLC 速度，如圖4所示。

MLC 使用類SLC編程方式后，NAND Flash 在使用過(guò)程中的誤碼率(Bit Error Rate，BER)也比MLC編程方式要低。驗(yàn)證方式是:首先選擇特定的幾個(gè)block，然后將Block 擦除，再對(duì)Block 寫特定數(shù)據(jù)，最后從Block 讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)，得出BER。

使用SLC編程、MLC編程和類SLC編程的BER 情況如圖5所示。可以看出使用類SLC編程，BER要比MLC編程要低，接近于SLC編程的BER，這些誤碼全部被芯片內(nèi)置的BCH 糾錯(cuò)算法實(shí)時(shí)糾正。

圖4 實(shí)測(cè)速度對(duì)比

圖5 實(shí)測(cè)誤碼率(BER) 統(tǒng)計(jì)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)MLC 使用類SLC編程方式的方法能夠有效提高M(jìn)LC的速度，減少誤碼的發(fā)生，同時(shí)能夠減少M(fèi)LC Paired page 在異常斷電上的影響，提高了數(shù)據(jù)的完整性及可靠性。本方法已經(jīng)在FLASH控制器中應(yīng)用，使MLC NAND flash 達(dá)到SLC的性能及可靠性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本方法的效果。

[1]Osborne I S.Flash Memory[J].Science，2000，289(5 477):217.

[2]Lin M，Chen S.Efficient and intelligent garbage collection policy for NAND flash-based consumer electronics[J].IEEE Transaction on Consumer Electronics，2013，59(3):538-543.

[3]Xu G，Liu Y，Zhang X，et al.Garbage collection policy to improve durability for flash memory[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2012，58(4):1 232-1 236.

[4]Parhi K K.Eliminating the fanout bottleneck in parallel long BCH encoders[J].IEEE Transactions on Circuits System I，2004，51(3):512-516.

[5]徐富新，劉應(yīng)，劉雁群，等.模式可配置的NAND Flash 糾錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44(5):1 918-1 925.

[6]Microm Corporations.L74A NAND Flash memory data sheet Rev.E3/11EN[R].Boise:Micron Corporations，2009.

[7]Micron Corporations.M73A NAND Flash memory data sheet Rev.B7/10EN[R].Boise:Micron Corporations，2010.