近二十年來,閃存已經(jīng)逐漸替代硬盤被廣泛應(yīng)用于各種存儲(chǔ)設(shè)備,如數(shù)據(jù)庫,計(jì)算機(jī),移動(dòng)設(shè)備等等。目前閃存的發(fā)展主要依賴于尺寸的縮小、存儲(chǔ)密度的增加（單個(gè)閃存單元比特個(gè)數(shù)的增加）或堆疊更多閃存單元（3D閃存）的方式降低閃存價(jià)格。然而,在制作過程中,閃存單元的尺寸和厚度表現(xiàn)出了越來越明顯的差異,稱為制程差異現(xiàn)象。它的直觀表現(xiàn)是閃存單元的性能和可靠性存在不同程度的差異。或快或慢,或強(qiáng)或弱的閃存為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展帶來了機(jī)遇,也帶來了挑戰(zhàn)。站在系統(tǒng)優(yōu)化的角度,表現(xiàn)優(yōu)良的閃存單元是性能和可靠性優(yōu)化的目標(biāo)。然而,一方面,閃存的制程差異現(xiàn)象是未知的;另一方面,表現(xiàn)優(yōu)良的閃存單元是有限的,不妥當(dāng)?shù)牟┺目赡軐?dǎo)致性能和可靠性下降。本文從閃存性能和可靠性的深層次影響因素出發(fā),開展制程差異感知的技術(shù)優(yōu)化研究。相對之前的研究工作,本研究通過挖掘閃存的制程差異現(xiàn)象,充分利用優(yōu)良閃存單元的特征,從根本上提升性能和可靠性。本文主要研究內(nèi)容如下:（1）針對制程差異感知的閃存寫性能優(yōu)化的研究。寫性能是閃存設(shè)備性能的關(guān)鍵問題。通過分析寫速度和閃存塊可靠性的關(guān)系,很多閃存塊被發(fā)現(xiàn)可以使用更大的寫速度,從而提升性能。本工作首先根據(jù)閃存... 

【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：109 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

灘鉅焓且恢治錮硐窒螅??制作過程中閃存單元不同的間隙和厚度導(dǎo)致。其特征在于不同閃存單元的可靠性和訪問時(shí)延存在很大的差異。具體地，三星公司發(fā)現(xiàn)其所生產(chǎn)的閃存芯片存在高達(dá)4倍的可靠性差異[22]。所以，閃存單元表現(xiàn)出了明顯的差異，或強(qiáng)或弱，或快或慢。但是，制程差異這一現(xiàn)象還未被考慮到閃存優(yōu)化設(shè)計(jì)中。本研究即考慮制程差異現(xiàn)象優(yōu)化閃存性能和可靠性，從閃存性能和可靠性的深層次影響因素出發(fā)，研究制程差異的影響和解決策略。本研究從寫性能、保存時(shí)間錯(cuò)誤導(dǎo)致的刷新以及糾錯(cuò)碼可靠性三個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化。圖1.2閃存陣列結(jié)構(gòu)Fig.1.2Theflasharray1.2研究背景1.2.1閃存基本原理閃存芯片是陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)閃存塊中有M個(gè)閃存頁，而每個(gè)閃存頁中又有n個(gè)閃存單元構(gòu)成，如圖1.2所示，左邊是閃存陣列結(jié)構(gòu)，而右邊是閃存單元的結(jié)構(gòu)。閃存有三個(gè)基本操作，寫操作，讀操作和擦除操作。其中，寫和讀操作的操作單位都是閃存頁，而擦除操作的基本單位是閃存塊。對于寫操作，數(shù)據(jù)會(huì)先寫入頁緩存（PageCache）中，然后再寫入地址緩存（AddressBuffer）選定的閃存頁（字線i，WLi）中。在寫入時(shí)，閃存會(huì)先對選中WLi的控制極（ControlGate，簡稱CG）加高電壓使得寫操作可以進(jìn)行，而其他WL的CG加低電壓避免寫入，并根據(jù)頁緩存中的數(shù)據(jù)對BL加相應(yīng)的電壓，充入需要的電荷量。通常，閃存單元中的電荷量跟閃存單元的存儲(chǔ)內(nèi)容一一對應(yīng)。如圖1.2右側(cè)所示，對于每一個(gè)閃存單元，電荷存儲(chǔ)在浮柵極（FloatingGate，簡稱FG）中，而浮柵極的上下層均是絕緣的氧化層，使得充入的電荷不會(huì)流出，實(shí)現(xiàn)了非易失性存儲(chǔ)。讀操作是寫操作的反

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文10圖1.6閃存研究現(xiàn)狀Fig.1.6RelatedworkonNANDflash1.3.1制程差異現(xiàn)象研究現(xiàn)狀分析針對閃存的制程差異現(xiàn)象，很多工作首先測量了閃存塊的差異程度。SMARTModularTechnologies公司在2010年的FlashSummit[62]上便展現(xiàn)了制程差異現(xiàn)象，早期的閃存塊間的錯(cuò)誤率（BitErrorRate，簡稱BER）差異有3.5x，而后期的BER差異高達(dá)40x。而去掉最好最壞的情況，中間80%的閃存塊的BER其實(shí)是均勻分布的。在2013年，三星公司對35nmMLC閃存以反復(fù)擦除寫入讀取的方式做了測量，發(fā)現(xiàn)閃存塊最差都能支持4999次擦寫，高于工廠給定的3000次擦寫次數(shù)，而最高的可支持上萬次。最終對所有的閃存塊進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)閃存塊可支持的擦寫次數(shù)與其位置無關(guān)，平均可擦寫8524次，標(biāo)準(zhǔn)差為1318次[22]。這就說明閃存塊確實(shí)有著很大的可靠性差異。進(jìn)一步，他們還測量了其他一系列參數(shù)，如寫時(shí)延，讀時(shí)延和擦除時(shí)延。最終根據(jù)這些結(jié)果歸納得出了一個(gè)衡量閃存壽命的線性模型，模型中采用了擦寫次數(shù)和寫時(shí)延兩個(gè)參數(shù)。美國倫斯勒理工學(xué)院的Pan同樣在2013年對35nm的MLC閃存做了測量。測量選取了1000個(gè)閃存塊，發(fā)現(xiàn)閃存塊在均被擦除了15K后，表現(xiàn)出不同的BER。通過擬合，發(fā)現(xiàn)閃存塊的BER呈對數(shù)正態(tài)分布，進(jìn)一步通過建模推算出閃存塊的可擦寫次數(shù)的分布區(qū)間為[15000,24600][21]。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，此工作提出了一個(gè)基于BER的動(dòng)態(tài)貪婪均衡磨損策略，使用BER作為衡量閃存好壞的標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先分配BER低的閃存塊使用，并且動(dòng)態(tài)調(diào)整冷數(shù)據(jù)存放到BER高的閃存塊上，以此提升閃存壽命。以上兩個(gè)測量工作均針對的是閃存塊單元，但實(shí)際上閃存塊內(nèi)部的閃存頁之間也存在可靠性的差異。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Jimenez等人便測量了一個(gè)閃存


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