CN102831026A

CN102831026A - 多层单元闪存及其软信息位读取电压阈值动态调整方法

Info

Publication number: CN102831026A
Application number: CN2012102876228A
Authority: CN
Inventors: 邢冀鹏; 霍文捷
Original assignee: Memoright Memoritech Wuhan Co Ltd
Current assignee: Memoright Memoritech Wuhan Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明涉及一种多层单元闪存MLC及其软信息位读取电压阈值动态调整方法。本发明针对具有软信息位读取功能多层单元闪存，包括用于对原始数据进行处理的错误校验模块，其特征在于，还包括阈值控制算法单元、误判监控模块以及外信息获取模块。本发明通过捕获闪存芯片中物理块的损耗状态，动态调整多层单元闪存的读取电压的阈值范围，有效降低了软信息位读取(Soft Bit Read)过程中的误判概率，提高了闪存控制器的纠错能力，降低数据错误，有效延长闪存器件的使用寿命。

Description

多层单元闪存及其软信息位读取电压阈值动态调整方法

技术领域

本发明涉及一种多层单元闪存MLC及其软信息位读取电压阈值动态调整方法。

背景技术

闪存器件中的存储单元通过向浮栅中注入电子的方式来记录数据，同时存储单元还通过读取阈值电压来判断浮栅中保存的逻辑。当闪存器件经过多次地擦写之后，其物理特性逐渐衰退，从而导致数据错误的增加。

随着闪存工艺的更新换代，存储单元中的沟道宽度正在不断地缩减，闪存器件的集成度也迅速提高；单位容量的存储价格则不断下降。在这种工艺不断升级的过程中，闪存器件却面临着新的挑战。事实上，存储单元在进行各种操作的同时，还会有读扰动、编程扰动、浮栅耦合效应等多种寄生效应伴随发生，这些效应会干扰存储单元的正常操作，进而导致闪存器件中的数据发生错误。这种由寄生效应导致数据错误的现象在制造工艺进入亚20纳米以后正变得更加显著。存储单元沟道宽度的减小以及核心工作降低导致闪存器件更容易受到寄生效应的干扰，从而使得存储数据发生错误的数目迅猛增加，这种状况严重影响了闪存器件的使用寿命。采用20纳米新工艺制造的多层次存储闪存，其擦写循环次数已由有原先的3000次减退到了500次，并且随着在旧工艺条件下生产的闪存器件的逐步停产以及新工艺闪存的投产，闪存器件的这种高容量短寿命的趋势将会进一步加剧。尽管新工艺的闪存器件可以满足一般场合的应用要求，但是在固态硬盘等高强度存储领域中，由于控制器需要对闪存芯片进行大量的擦写操作，因此其无法满足固态硬盘等应用领域的需求。新工艺条件所带来的寿命缩减严重地制约了固态硬盘等存储设备的应用。

目前，新工艺的多层次存储单元(MLC)闪存器件都设计有软信息位读取(Soft Bit Read)功能。这种功能可以判定当前读取的电压状态是否处于明确的预定电压状态中，并结合错误校验模块的处理，提高闪存控制器对数据错误的侦测及纠错能力。如图1所示，对于多层次存储闪存的存储单元，设计有四种电压状态E、D1、D2和D3来表征两位的逻辑值，并使用标准读取电压1、2、3来区分存储单元当前的电压状态，从而将电压状态转换为存储的逻辑信息。然而，在闪存器件的使用过程中，由于受到寿命损耗以及浮栅耦合效应的影响，闪存存储单元中的电压状态会发生重叠，若存储单元当前的电压状态处于重叠区时，使用标准读取电压得到的状态信息可能会发生错误判断，导致闪存器件出现数据错误。而软信息位读取功能加强了闪存器件读取存储单元中电压状态的能力，在标准读取电压1、2、3的基础上，闪存器件分别增加了低读取电压1、2、3以及高读取电压1、2、3，来确定存储单元中电压状态所处的重叠区域，即，高、低读取电压之间的阈值A、B和C。通过软信息位读取后，当存储单元电压状态处于重叠区域时，得到结果为“1”，否则为“0”。

尽管软信息位读取功能可以帮助闪存控制器提高对数据错误的侦测能力，然而，闪存器件仅仅只是提供了这种功能，闪存控制器对电压状态重叠区域的阈值调整方式和幅度均需要闪存控制器根据实际状况进行精确地设定，否则闪存控制器通过软信息位读取所获得的结果中会包含大量的误判信息，影响软信息位读取的结果。此外，重叠区的范围并不固定，随着闪存损耗的增加以及器件物理特性的衰退，重叠区的范围也在不断扩大，这也增加了采样电压阈值调整的控制难度。若不能及时调整采用电压阈值，同样也会导致软信息位读取过程中对数据错误的漏判。另一方面，若电压阈值调整得过大，又会使得在软信息位读取过程将处于明确电压状态的存储数据误判为错误数据。因此，闪存控制器需要有一种能对高、低读取电压与标准读取电压之间的阈值幅度进行精确跟踪和配置的方法，能够降低误判概率，为数据的纠错操作提供可靠的依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出了一种多层单元闪存及其软信息位读取电压阈值动态调整方法读取电压阈值的动态调整的方法，有效降低了软信息位读取(Soft Bit Read)过程中的误判概率。

本发明的技术构思是通过捕获闪存芯片中物理块的损耗状态，从而实现对数据错误的有效侦测，为错误校验模块提供更多软信息，降低由纠错失败所引发的信息丢失风险。这种新的错误跟踪侦测技术的特征在于通过将闪存的外信息与读取阈值相关联的方式获取错误发生的概率。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种多层单元闪存，具有软信息位读取功能，包括用于对原始数据进行处理的错误校验模块，其特征在于，还包括阈值控制算法单元、误判监控模块以及外信息获取模块；

所述外信息获取模块，用于获取所述多层单元闪存的损耗状况并输出到所述阈值控制算法单元；

所述多层单元闪存读出的原始数据分别实时输出到所述误判监控模块和错误校验模块；

所述多层单元闪存根据所述当前阈值进行软信息位读取操作，软信息位读取操作的结果分别输出到所述误判监控模块和错误校验模块；

所述错误校验模块输出的校验后数据同时还反馈输入到所述误判监控模块；

所述误判监控模块根据所述原始数据、校验后数据和软信息位读取操作的结果，计算出当前软信息位读取操作误判信息并输出到所述阈值控制算法单元；

所述阈值控制算法单元，用于根据预先输入的误判控制目标，以及所述软信息位读取操作误判信息和闪存损耗状况计算出读取电压阈值，并将所述应然阈值实时输出到所述多层单元闪存，所述读取电压阈值用于后续的软信息位读取。

优选的，所述阈值控制算法单元采用PID控制算法或神经网络等控制算法计算读取电压阈值。

本发明还提供了上述多层单元闪存的软信息位读取电压阈值动态调整方法，所述多层单元闪存包括错误校验模块，其特征在于包括以下步骤：

获取所述多层单元闪存的损耗状况；

所述多层单元闪存读出的原始数据；

所述多层单元闪存根据所述当前阈值进行软信息位读取操作；

所述错误校验模块根据所述原始数据输出校验后数据；

根据所述原始数据、校验后数据和软信息位读取操作的结果，计算出当前软信息位读取操作误判信息；

根据预先输入的误判控制目标，以及所述软信息位读取操作误判信息和闪存损耗状况计算出后续的应然阈值，并将所述应然阈值实时输出到所述多层单元闪存。

进一步优选的，所述计算出当前软信息位读取操作误判信息包括以下步骤：将所述原始数据与所述校验后数据进行异或操作，得到实际错误发生的位置信息；再将该位置信息与所述软信息位读取的结果相异或，即计算出所述当前软信息操作误判信息。

本发明旨在利用闪存芯片内部的软信息位读取(Soft Bit Read)功能，通过动态调整读取电压的阈值范围，有效降低了软信息位读取过程中的误判概率，提高了闪存控制器的纠错能力。这种针对多层次存储单元闪存的阈值追踪技术同样可以广泛适用于各种以闪存为存储介质的系统中，以提高系统的纠错能力。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

图1为软信息位读取操作示意图。

图2为阈值动态调整方法的数据信息流示意图。

图3为实际误判信息的算法示意图。

图4为阈值控制算法示意图。

图5为擦除时间示意图。

图6为编程时间示意图。

图7为阈值跟踪模块连接示意图。

图8为阈值跟踪模块内部结构示意图。

图9为阈值动态调整方法的整体控制流程示意图。

具体实施方法

阈值追踪技术的基本结构如图2所示。在该系统中，由阈值控制算法单元、多层单元闪存器件、错误校验模块、误判监控模块以及外信息获取模块等共同构成一个闭环控制系统。闪存控制器为阈值控制算法单元提供所需要的控制目标。同时，阈值控制算法单元还接收来自误判监控模块的实际误判信息以及来自信息获取模块的闪存损耗状况。阈值控制算法单元将根据这些信息计算相应的阈值A、B和C的调整数值，并利用这些数值对闪存器件进行软信息位读取操作。软信息位读取操作的结果将作为参考信息，为原始数据的错误校验运算提供更多信息。错误校验模块校验后的数据结果作为正确结果发送给闪存控制器，而校验后的数据、原始数据比对以及软信息位读取的结果将输入到误判监控模块进行比较汇总，得到实际误判信息。

如图3所示的实际误判信息的算法，从闪存中读取的原始数据将与经过纠错以后的数据进行异或操作，从而得到实际错误发生的位置信息，然后再将该位置信息与软信息位读取的结果相异或，就可以计算出软信息读取过程中的误判信息以及相关比例，最终，误判信息将反馈给阈值控制算法单元。另一方面，闪存器件操作的过程中获取有关擦除时间、编程时间等外信息将被外信息获取模块予以收集，并根据外信息预测闪存器件的损耗状况，从而为阈值控制算法单元的精确控制提供更多的参考信息。通过以上的反馈系统，保证了阈值A、B和C能够跟随闪存器件的损耗进行配置，从而将误判比例降至最低。

阈值控制算法单元实现阈值动态调整的关键是实现阈值A、B和C的阈值控制算法，阈值控制算法可以选择为PID控制算法，或神经网络控制算法等多种方法。本发明特别使用带有PID隐藏层的神经网络算法，如图4所示。由输入层、隐藏层以及输出层共同构成了该神经网络。目标误判比例和实际误判比例作为该神经网络的输入，连接到输入层。其中，目标误判比例1表征的是闪存存储单元中状态电压E和A之间错误的误判比例控制范围；目标误判比例2表征的是闪存存储单元中状态电压A和B之间错误的误判比例控制范围；目标误判比例3表征的是闪存存储单元中状态电压B和C之间错误的误判比例控制范围。而实际误判比例1表征的是闪存存储单元中状态电压E和A之间错误的实际误判比例；实际误判比例2表征的是闪存存储单元中状态电压A和B之间错误的实际误判比例；实际误判比例3表征的是闪存存储单元中状态电压B和C之间错误的实际误判比例。输入层的数据将根据不同的权值输入至隐藏层。隐藏层由比例单元P、积分单元I以及微分单元D，三种不同的功能单元构成。其中，比例单元P完成线性比例运算；积分单元I完成算术积分运算，微分单元D完成算术微分运算。隐藏层的功能单元通过相应的计算，将相应的计算结果传递给输出层。输出层接受来自隐藏层的数据，并通过相应的权值运算，得到输出结果，即阈值A、B和C。这样，阈值A、B和C的反馈控制算法根据实际操作的结果对阈值A、B和C进行调整控制，从而达到跟踪闪存错误状况的目的。

阈值A、B和C的反馈控制算法中，为了能够更快地调整调整神经网络中的权值，以实现对错误状况的精确跟踪，本发明还将根通过先验实验，测试出闪存器件在不同的损耗条件下，具有最小误判比例的采样电压阈值作为神经网络运算中输出结果W_A、W_B、W_C的初值W_A0、W_B0、W_C0,，使得阈值控制算法在运行的过程中，能根据闪存器件物理块所处的损耗状态，有合适的先验阈值作为初值，与每次迭代计算的调整值_△W_A、_△W_B、_△W_C相加，从而得到最后的计算结果，加快算法在迭代过程中的收敛速度，避免错误的累积。

W_A=W_A0+_ΔW_A

W_B=W_B0+_ΔW_B

W_C=W_C0+_ΔW_C

闪存器件的损耗状况可以有多种方式进行记录。闪存控制器可以通过擦写循环次数、擦除时间以及编程时间来表征闪存器件的损耗。闪存器件随着擦写循环次数的增加，其物理特性呈现衰退的趋势。因此，闪存器件可以通过记录各个物理块的擦写循环次数来推测物理块中数据发生错误的概率。除擦写循环次数以外，擦除时间以及编程时间同样与闪存器件的物理特性存在关联。如图5所示，随着擦写循环次数的增长，擦除时间也在不断增加。因此可以通过记录擦除时间的方式，计算当前物理块所经历的擦写循环次数，并推测物理块在当前操作中发生错误的概率。编程时间与擦除时间相似，如图6所示，随着擦写循环次数的增长，编程时间在不断地减小。因此可以通过记录编程时间的方式，计算当前物理块所经历的擦写循环次数，并推测物理块在当前操作中发生错误的概率。

为了提供多层单元闪存的效率，本发明的阈值控制算法单元、误判监控模块和外信息获取模块，在具体的实现器件上组成阈值动态调整模块，封装在闪存控制器内，如图7所示。在闪存控制器内部，阈值动态调整模块分别与闪存接口模块以及错误校验模块相连。闪存接口模块负责对闪存控制器外部的闪存芯片进行操作，并将操作过程中擦除或编程操作的计时信息发送给阈值动态调整模块。错误校验模块负责对来自闪存接口模块的数据进行纠错处理，并将相关的错误信息发送给阈值动态调整模块。阈值动态调整模块则根据接收到的错误信息以及计时信息进行计算出读取电压的阈值。闪存接口模块将采用控制算法得出的读取电压的阈值进行软信息位读取操作，并将所获取的软信息位读取操作的结果，即预测错误信息发送给错误校验模块作为参考。

阈值动态调整模块的内部结构如图8所示。其中阈值控制算法单元用于实现阈值控制算法；外信息获取模块根据闪存器件的外信息获取闪存器件的实际损耗状况；误判监控模块将比对实际错误信息以及软信息位读取结果，从而统计出软信息位读取的实际误判结果，并反馈给阈值控制模块进行迭代计算。

阈值动态调整方法的整体控制流程如图9所示。启动阈值动态调整模块以后，闪存控制器通过外信息获取模块对闪存的擦除、编程操作进行监控，获取闪存的外信息，并完成对闪存损耗状况的推测。当主机发起读取命令以后，闪存控制器首先将采用标准读取命令对闪存进行操作，随后对闪存器件进行软信息位读取操作，并将读取到的结果作为参考对原始读取数据进行数据纠错操作。经过纠错后的数据将与原始读取数据比对，得到实际的错误信息。通过将实际错误信息与软信息位读取结果进行比对，错误跟踪模块可以收集到实际的误判信息以及相关比例，从而可以通过内部的控制算法对软信息位读取操作的阈值进行修正。若读取操作没有结束，闪存控制器将继续进行读取操作，否则将结束操作。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种多层单元闪存，具有软信息位读取功能，包括用于对原始数据进行处理的错误校验模块，其特征在于，还包括阈值控制算法单元、误判监控模块以及外信息获取模块；

2.根据权利要求1所述的多层单元闪存，其特征在于，所述阈值控制算法单元采用PID控制算法或神经网络等控制算法计算读取电压阈值。

3.一种多层单元闪存的软信息位读取电压阈值动态调整方法，所述多层单元闪存包括错误校验模块，其特征在于包括以下步骤：

获取所述多层单元闪存的损耗状况；

所述多层单元闪存读出的原始数据；

所述错误校验模块根据所述原始数据输出校验后数据；

4.根据权利要求3所述的多层单元闪存的软信息位读取电压阈值动态调整方法，其特征在于，所述计算出当前软信息位读取操作误判信息包括以下步骤：将所述原始数据与所述校验后数据进行异或操作，得到实际错误发生的位置信息；再将该位置信息与所述软信息位读取的结果相异或，即计算出所述当前软信息操作误判信息。