CN102915261A

CN102915261A - 提高闪存芯片存储单元利用率的方法、装置和系统

Info

Publication number: CN102915261A
Application number: CN2012103227785A
Authority: CN
Inventors: 张彤; 邹粤林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明公开一种利用数据可压缩性提高闪存芯片存储单元利用率的方法、装置及系统。本发明的固态存储系统控制器包括：数据无损压缩模块，对所收到的用户数据进行无损压缩操作以减小数据量；存储单元块“编程／擦除”次数记录模块，用于实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块，实时跟踪并记录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；闪存页面选择模块，用于决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；纠错码编码选择模块，选择纠错码编码方式。本发明可有效利用数据本身的可压缩性来容忍缺陷信息存储单元，使固态存储系统最充分地使用所有闪存芯片存储单元以延长使用寿命。

Description

提高闪存芯片存储单元利用率的方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及固态存储器领域，尤其涉及一种利用数据可压缩性提高闪存芯片存储单元利用率的方法、装置及系统。

背景技术

作为唯一主流的固态非挥发数据储存技术，闪存已经成为了全球半导体产业体系中发展最为迅速的一环。2010年市场研究报告显示，闪存产品的市场已突破200亿美元。虽然目前闪存主要用于消费性电子产品例如数字照相机和手机，以闪存作为存储介质的固态存储系统正在得到业界的广泛关注。使用闪存作为存储介质的固态存储系统比传统存储系统的速度可提高10至100倍。除了速度上的优势，由于完全没有机械结构，固态存储系统在抗震性能、发热功耗、使用噪音和体积重量方面都有着显著的优势。固态存储系统主要包含一个固态存储系统控制器和一个以上闪存芯片。

浮栅金属氧化物半导体晶体管是闪存芯片的基本信息存储单元。浮栅金属氧化物半导体晶体管的阈值电压可以通过注射一定数量的电子进入浮栅而改变。因此，通过对浮栅内电子数目的精确控制，每个存储单元，即浮栅金属氧化物半导体晶体管,可储存多个比特信息。精确控制浮栅内电子数目的过程通常被称为编程。在每一个存储单元可以被编程之前，其浮栅内的所有电子必须被移走，从而使得其阈值电压被置为最低，这个过程被称为擦除。闪存芯片内的信息存储单元阵列被划分成为多个存储块，而每一个存储块包含多个存储页面。每一个存储块内的所有存储单元必须被同时擦除，但存储单元的编程和读取则以页面为单位。

重复的编程／擦除的操作会逐渐降低浮栅金属氧化物半导体晶体管的噪音容限，从而使得闪存芯片只有一定的编程／擦除次数限度，加上随着闪存制造工艺精度的不断提高，闪存器件的存储密度不断升高、价格不断下降，这样更加重了重复编程／擦除操作对于信息存储单元的副作用，使得闪存芯片的使用寿命和可靠性不断下降，由此固态存储系统控制器必须采用越来越强大而复杂的纠错码来应付不断下降的闪存信息存储单元可靠性，以保证整个固态存储系统的可靠性和使用寿命。

随着闪存制造工艺精度的不断提高，信息存储单元的缺陷率也会不断上升。若闪存芯片中的某一存储页面含有过多的缺陷存储单元，此存储页面就会被标示为坏页面而被禁止使用。随着信息存储单元缺陷率的不断上升，越来越多的存储页面会被标志为坏存储页面而被禁止参与任何的数据存储，这会导致急剧下降的信息存储单元使用效率。

申请号为“201110148048.3”，发明名称为“提高大容量固态数据存储系统运行速度的装置及方法”中国专利申请公开了一种可以提高大容量固态数据存储系统运行速度的装置，包括固态数据存储系统主控制器芯片，该固态数据存储系统主控制器芯片通过一条以上的信道同一个以上的协数据处理控制芯片相通信连接，而每一个协数据处理控制芯片通过一条以上的信道连接一定数量的闪存芯片，所以固态数据存储系统主控制器芯片与协数据处理控制芯片之间信道的速率可以远高于协数据处理控制芯片与闪存芯片之间信道的速率；还可直接提高系统运行速度，加上用户数据纠错编解码操作由分布式的协数据处理控制芯片完成，可直接提高信道的有效利用率、进而提高系统运行速度。

该申请仅仅针对如何提高闪存芯片传输速率问题进而提高系统运行速度问题提供了解决方案，对于如何提高闪存芯片的利用效率问题仍未得到解决。

公开号为“US8095765 B2”，发明名称为“MEMORY BLOCK MANAGEMENT”的美国专利申请公开了一种存储器芯片中存在缺陷物理块时的管理方法，但是该申请未提出如何解决随着存储单元缺陷率的不断上升如何解决芯片存储效率的问题。

如上所述，在现有实现中，固态存储系统保持一个预先确定的缺陷信息存储单元个数阈值，若某一存储页面内缺陷信息存储单元个数超过此固定阈值，固态存储系统控制器会立即将此存储页面标志为坏页面而禁止对此页面的使用。由于闪存制造工艺精度的不断提高不可避免地会使得信息存储单元的缺陷率不断上升，现有技术会导致较低的闪存芯片存储效率。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种提高闪存芯片缺陷容忍度的方法，可有效地利用数据本身的可压缩性来容忍缺陷信息存储单元，使得固态存储系统最充分地使用所有闪存芯片存储单元以达到延长使用寿命的目的。

本发明所采用的技术方案是，固态存储系统控制器实时检测并记录所有闪存芯片数据存储页面中的缺陷信息存储单元的个数。根据实时“编程／擦除”次数及缺陷信息存储单元个数的信息，固态存储系统控制器计算并记录每一个闪存物理页面所需的纠错码编码冗余量。在实时运行过程中，固态存储系统在接受到每一帧需要存储的数据后，首先对其进行无损数据压缩处理。根据所得压缩率结果，固态存储系统控制器可相应增加页面内纠错码编码冗余量，这样就可相应提高此页面对于缺陷信息存储单元的容忍性，直接延长闪存芯片的使用寿命。

本发明的一个目的是提供一种固态存储系统控制器，其包括：数据无损压缩模块，用于对所收到的用户数据进行无损压缩操作以减小其数据量；存储单元块“编程／擦除”次数记录模块，用于实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块，用于实时跟踪并记录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；闪存页面选择模块，用于决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；纠错码编码选择模块，用于选择纠错码编码方式。

上述固态存储系统控制器，若接收的用户数据具有无损可压缩性，所述固态数据存储系统控制器计算一无损数据压缩率并则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入。

上述固态存储系统控制器，根据实时得到的无损数据压缩率，所述纠错码编码选择模块来选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。

本发明的另一个目的是提供一种提高闪存芯片存储单元利用率的方法，其特征在于包括步骤：对所收到的用户数据进行无损压缩操作；实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；实时跟踪并记录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；根据所记录的每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；根据数据无损压缩结果选择相应的纠错码编码方式。

上述方法进一步包括，若接收的用户数据具有无损可压缩性，计算一无损数据压缩率并则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入。

上述方法进一步包括，根据实时得到的无损数据压缩率选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。

本发明另一个目的是提供一种固态存储系统，包括一固态存储系统控制器以及多个闪存芯片，其特征在于所述固态存储系统控制器包括：数据无损压缩模块，用于对所收到的用户数据进行无损压缩操作以减小其数据量；存储单元块“编程／擦除”次数记录模块，用于实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块，用于实时跟踪并记录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；闪存页面选择模块，用于根据每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；纠错码编码选择模块，用于根据数据无损压缩结果选择纠错码编码方式。

上述固态存储系统进一步包括，若接收的用户数据具有无损可压缩性，所述固态数据存储系统控制器计算一无损数据压缩率并则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入。

上述固态存储系统进一步包括，根据实时得到的无损数据压缩率，所述纠错码编码选择模块来选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。

当使用本发明技术方案时，数据存储系统可实时利用不同用户数据不同的无损数据压缩性，尽可能的充分利用包含缺陷信息存储单元的存储页面提供数据存储功能。这样可大幅度提高闪存芯片页面利用率，进而达到延长闪存芯片使用寿命的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1示出了一种固态存储系统的结构示意图；

图2示出了一种固态存储系统控制器的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种固态存储系统，包括一个固态存储系统控制器及多个闪存芯片。其中，在固态存储系统控制器中设置数据无损压缩模块、闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块、闪存页面选择模块、纠错码编码选择模块、以及存储单元块“编程／擦除”次数记录模块。

数据无损压缩模块用于对所收到的用户数据进行无损压缩操作以减小其数据量；存储单元块“编程／擦除”次数记录模块用于实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块用于实时跟踪并纪录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；闪存页面选择模块用于决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；纠错码编码选择模块用于选择纠错码编码方式。

图2示出了固态数据存储系统的工作流程图。当固态数据存储系统控制器接受到一帧用户数据时，首先启动其数据无损压缩模块对该用户数据进行无损压缩操作。若此帧用户数据具有无损可压缩性，固态数据存储系统控制器则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入，这里的正常页面所含固定的缺陷信息存储单元个数不多于正常固定容忍阈值。

在控制器将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片时，由于无损压缩降低了用户数据量进而留出更多的存储空间给纠错码编码冗余，控制器可利用此增加的编码冗余而启动纠错能力更强的纠错码编码。纠错能力更强的纠错码编码可相应地容忍更多的闪存页面缺陷信息存储单元个数。

根据实时得到的无损数据压缩率，控制器启动纠错码编码选择模块来选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。控制器可计算出所使用的纠错码编码方式可最多容忍的缺陷信息存储单元个数。需要指出的是，在控制器内纠错码编码选择模块中，已预先设定可支持的不同的（如3个或4个或更多）编码率数据，根据当前的无损数据压缩率，控制器必须从这几个不同的码率中选择出一码率，该码率可最大程度的利用无损数据压缩带来的冗余量。

由于闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块实时跟踪并纪录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数，控制器启动闪存页面选择模块挑选出一存储页面，该页面为一可容忍非正常页面，其内的缺陷信息存储单元个数多于所用纠错码编码可最多容忍的缺陷信息存储单元个数，或一正常页面，其内的缺陷信息存储单元个数少于所用纠错码编码可最多容忍的缺陷信息存储单元个数。最终，控制器将此帧压缩并编码的用户数据写入所选中的闪存存储页面。

本发明的实施例在实际系统运行中，不同的用户数据会具有非常不同的无损数据压缩性，当使用本发明时，数据存储系统可实时利用此无损数据压缩性，尽可能的充分利用包含缺陷信息存储单元的存储页面提供数据存储功能。这样可大幅度提高闪存芯片页面利用率，进而达到延长闪存芯片使用寿命的目的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种提高闪存芯片存储单元利用率的方法，其特征在于包括步骤：

对所收到的用户数据进行无损压缩操作；

实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；

实时跟踪并记录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；

根据所记录的每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；

根据数据无损压缩结果选择相应的纠错码编码方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括，若接收的用户数据具有无损可压缩性，计算一无损数据压缩率并则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据实时得到的无损数据压缩率选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。

4.一种固态存储系统控制器，其特征在于包括：

数据无损压缩模块，用于对所收到的用户数据进行无损压缩操作以减小其数据量；

存储单元块“编程／擦除”次数记录模块，用于实时记录所有闪存芯片中所有存储单元块经历过的“编程／擦除”次数；

闪存页面缺陷信息存储单元个数跟踪模块，用于实时跟踪并记录每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数；

闪存页面选择模块，用于决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；

纠错码编码选择模块，用于选择纠错码编码方式。

5.根据权利要求4所述的固态存储系统控制器，其特征在于进一步包括，若接收的用户数据具有无损可压缩性，所述固态数据存储系统控制器计算一无损数据压缩率并则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入。

6.根据权利要求5所述的固态存储系统控制器，其特征在于，根据实时得到的无损数据压缩率，所述纠错码编码选择模块来选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。

7.一种固态存储系统，包括一固态存储系统控制器以及多个闪存芯片，其特征在于所述固态存储系统控制器包括：

闪存页面选择模块，用于根据每一闪存页面内所含的缺陷信息存储单元个数决定将当前用户数据写入哪一个闪存物理页面；

纠错码编码选择模块，用于根据数据无损压缩结果选择纠错码编码方式。

8.根据权利要求7所述的固态存储系统，其特征在于进一步包括，若接收的用户数据具有无损可压缩性，所述固态数据存储系统控制器计算一无损数据压缩率并则将无损压缩过的用户数据存入闪存芯片内，否则将原始用户数据本身存入闪存芯片内，进行正常的纠错码编码，进而选择一正常页面进行数据写入。

9.根据权利要求8所述的固态存储系统，其特征在于进一步包括，根据实时得到的无损数据压缩率，所述纠错码编码选择模块来选择相应的纠错码编码方式以充分地利用无损数据压缩所带来的编码冗余量的增加。