CN104134465B - 存储装置和存储管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了存储装置和存储管理方法。其中，该存储装置包括：检测单元、存储单元、更新单元和确定单元。检测单元，被配置为检测非易失性存储器的劣化因素；存储单元，被配置为保存寿命推测值；更新单元，被配置为基于由该检测单元所检测的该劣化因素更新该寿命推测值；以及确定单元，被配置为使用由该更新单元所更新的该寿命推测值，以产生通知信号。

Description

存储装置和存储管理方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2013年4月30日提交的日本在先专利申请JP2013-094963的利益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及应用于非易失性存储器，例如非易失性半导体存储器的存储装置和存储管理方法。

背景技术

近年来，非易失性半导体存储器的价格日益降低，并且非易失性半导体存储器被用于一个又一个的目的。作为目的之一，设想非易失性半导体存储器包含在塑料介质中并被用作过去的磁带介质的替代品。

作为非易失性存储器之一，磁存储装置(硬盘、磁带等)是已知的。例如，在广播站、数据中心等中，磁带介质用于数据的长期存储。在磁带介质中，对于劣化，推测劣化状态并且已经劣化的磁带介质必须被拷贝到新的磁带介质。然而，如果有大量的卷，那么存在一个问题，即该任务需要大量的时间和精力。

另外设想，替代磁带介质，非易失性半导体存储器被包含在盒中，并以与磁带盒相同的方式来使用。近年来，非易失性半导体存储器的价格一直在迅速降低。此外，当使用非易失性半导体存储器时，昂贵的驱动装置对于读取来说是不必要的，并且仅通过将接口连接到电源，就可以执行写入和读取。

发明内容

然而，存在非易失性半导体存储器劣化的问题。具体地，近年，半导体工艺微型化的进步，并且在非易失性半导体存储器价格下降的同时，出现了可靠性降低的问题。具体地，在实现低成本的多值NAND闪存中，反复执行重写后的数据保持时间缩短。在使用该存储器的产品中，数据损坏发生的可能性增加。

例如，日本专利申请特开号HEI8-241599和日本专利翻译公布号2010-500699各公开了非易失性半导体存储器的劣化检测方法。在日本专利申请特开号HEI8–241599中，在非易失性半导体存储器中，设置了存储写入次数的写入次数存储单元，写入次数的设定值和实际的写入次数相互比较，当超过设定值时，发出警告。日本专利翻译公布号2010-500699公开了设置有阶段的存储设备，在一个阶段上从存储阵列中读取包括多个扇区的页，在一个阶段上确定多个扇区的每个是否均包括允许数量范围内的错误，以及在一个阶段上当多个扇区每个均包括允许范围内的错误时，提供成功指示器。

在日本专利申请特开号HEI8-241599和日本专利翻译公布号2010-500699中，控制装置(计算机)访问非易失性半导体存储器，读取写入次数或错误，从而由控制装置确定劣化度。因此，在非易失性半导体存储器没有连接到控制装置的状态下，例如，在如上所述将非易失性半导体存储器与存储器保存在盒中的情况下，存在一个问题，即可能无法检测劣化。

鉴于上述情况，期望提供即使在控制装置等难以执行访问的状态下，也能够检测劣化的一种存储装置和存储管理方法。

根据本发明的实施方式，提供了一种存储装置，包括：检测单元、存储单元、更新单元和确定单元。

检测单元被配置为检测非易失性存储器的劣化因素。

存储单元被配置为保存寿命推测值。

更新单元被配置为在由检测单元所检测的劣化因素的基础上更新寿命推测值。

确定单元被配置为使用由更新单元所更新的寿命推测值，以产生通知信号。

根据本发明，即使在非易失性存储器未连接到计算机的状态下，也能够检测到非易失性存储器的劣化。例如，在连接到计算机的状态下，寿命推测值根据重写次数来确定，并且所确定的寿命推测值被保存在存储单元中。在没有被连接到计算机的状态下，检测诸如温度的劣化因素，并根据所检测的温度更新寿命推测值。在更新的寿命推测值小于预定值的情况下，向用户产生通知信号。

鉴于对如附图所示的其最佳模式实施方式的如下详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将会变得更加明显。

附图说明

图1是用于说明非易失性半导体存储器的劣化的示图；

图2是示出本发明的实施方式的电气结构的方框图；

图3是示出接口电路的示例的结构的方框图；

图4是示出非易失性半导体存储介质的示例的结构的方框图；

图5是示出闪存的内部结构的示例的方框图；

图6是示出预期寿命表的示例的示图；

图7是用于说明控制器在写入闪存时执行处理的流程图；以及

图8是用于说明检查非易失性半导体存储介质状态的处理的流程图。

具体实施方式

下面将要描述的本发明的实施方式是本发明期望的具体实例，并在技术上给出了期望的各种限制。然而，在下面的描述中，除非给出了限制本发明的描述，否则本发明并不限于这些实施方式。

将按照以下顺序进行说明。

<1.闪存的劣化>

<2.一个实施方式>

<3.其它实施方式>

<4.修改例>

<1.闪存的劣化>

在一个实施方式中，作为非易失性半导体存储器的实例，使用NAND闪存。作为除了NAND闪存之外的非易失性半导体存储器，NOR闪存、EEPROM(电可擦除可编程ROM)、磁阻RAM(随机存取存储器)、电阻随机存取存储器、相变存储器等也适用于本发明。进一步地，除了半导体存储器之外的非易失性存储器，如强电介质存储器等也适用于本发明。

在NAND闪存中，发生随着重写次数增加而数据保持保证时间变短这样的劣化。此外，温度越高，数据保持保证时间变得越短。图1是示出了在闪存的重写次数、其数据保持保证时间与温度之间的关系的示意图。在图1中，虚线表示25℃温度下数据保持保证时间的变化，而实线表示85℃温度下数据保持保证时间的变化。以这种方式，数据保持保证时间，即保证存储器中数据的稳定保持的期间，随着重写次数增加而减小，并根据周围温度而变化。具体地，温度越高，数据保持保证时间变得越短。

<2.一个实施方式>

(存储装置的结构)

图2是示出了本发明的实施方式的电气结构的示图。例如，在盒中，存储非易失性半导体存储器及其外围电路，从而构成非易失性半导体存储介质。多个非易失性半导体存储介质1₁至1_N(当介质不必彼此特别区分时，简称为非易失性半导体存储介质1)通过接口电路3₁至3_N(当电路不必彼此特别区分时，简称为接口电路3)被连接到主机2。

主机2执行整个系统的总体控制。在非易失性半导体存储介质1和主机2之间，通过光纤执行数据的输入和输出以及电力供给。三根光纤被用于每一个非易失性半导体存储介质1。来自主机2的信息被传输到接口电路3。在接口电路3中，按照来自主机2的命令，命令内容与记录和再生数据被转换为串行数据，并通过光纤30和光纤31与非易失性半导体存储介质1进行传输。此外，接口电路3将操作非易失性半导体存储介质1的必要电能(例如，约2W)转换成光能，并通过光纤32传输所述光能。

在主机2控制多个非易失性半导体存储介质1的情况下，由对应于相应的非易失性半导体存储介质1的接口电路3执行控制的切换。

接口电路3，例如，接口电路3₁被配置成如图3所示。其它接口电路3₂至3_N与接口电路31具有相同的结构。传输到主机2和从主机2接收到的信息被输入到控制逻辑33。控制逻辑33分析来自主机2的信息，并确定给定的命令是否为其负责的对非易失性半导体存储介质1的命令。在是其负责的命令的情况下，控制逻辑33向APC(自动电力控制)电路36发出命令，以提高半导体激光器37的输出。

APC电路36以这样的方式控制半导体激光器37的驱动电流，即半导体激光器37以预定值(例如，2W)输出光。半导体激光器37是，例如，波长为800nm的半导体激光器并输出激光束。经由连接器通过光纤32传输激光束。接收该激光束的非易失性半导体存储介质1从激光束产生驱动电力。

此外，控制逻辑33将来自主机2的命令内容转换成串行数据，并将串行数据提供给光发送组件(TOSA)35。光发送组件35调制内藏(incorporated)在其中的激光，并将调制后的激光束发送到光纤30。另一方面，光接收组件(ROSA)34将经由光纤31从非易失性半导体存储介质1传输来的光信号转换成电信号，并将该信号传输至控制逻辑33。

以这种方式，控制逻辑33通过两根光纤30和31与非易失性半导体存储介质1建立光通信。

在上述实施方式中，完全通过光纤传输电力和信号线，并且不使用电连接。因此，能够将非易失性半导体存储介质1和与非易失性半导体存储介质1电绝缘的主机2相连接。因为通过作为绝缘体的光纤连接，所以即使在非易失性半导体存储介质1附近发生雷击，并且诱导雷影响接口线路，也能够防止非易失性半导体存储介质1的内容被破坏。

非易失性半导体存储介质1具有如图4所示的结构。通过光纤30传输的光能由光电能量转换元件15转换为电能。电能作为操作电源被提供给非易失性半导体存储介质1的整个电路，以操作电路。作为光电能量转换元件15，例如，可以使用采用化合物半导体(砷化镓)的光供电元件。

控制器13是控制对闪存14的写入操作和读取操作的IC(集成电路)。这种类型的IC是由多个半导体厂商制造的专用于闪存的控制的控制器。控制器13通过光纤30和31、TOSA11和ROSA10与接口电路3通信。当从接口电路3发送记录数据时，控制器13将记录数据暂存在RAM12中。之后，控制器13将存储在RAM12中的记录数据写入闪存14的预定区域。

此外，控制器13读取存储在闪存14中的数据，并通过TOSA11将数据传输给主机2。在闪存中，以块或页为单位擦除数据。

此外，非易失性半导体存储介质1包括实时时钟(在图4中由RTC表示)16、辅助控制器17、电池18、BTLE19，以及用于测量温度的温度传感器20。实时时钟16是其上安装了一次电池的实时时钟芯片，其可以长时间连续操作，例如，10年以上。在由实时时钟16产生的当前时刻(年、月、日、时、分)的数据被提供给辅助控制器17。此外，实时时钟16设置有由一次电池支持的非易失性存储区域。辅助控制器17和控制器13二者均可以访问所述非易失性存储区域。

从电池18供给的电力被供给到辅助控制器17。辅助控制器17由具有超低功耗的睡眠模式的CPU(中央处理器)形成。作为电池18，例如，使用大容量的纽扣电池。此外，在微小电力是从附接到非易失性半导体存储介质1的盒的壳体外表面的太阳能电池(未示出)中获得的情况下，太阳能电池可以用来替代大容量的钮扣电池。例如作为薄膜固态二次电池，可使用保证长寿命(15年以上)和充放电次数100,000次以上的产品。

温度传感器20测量非易失性半导体存储介质1的温度，例如，盒中的温度，并将测量结果提供给辅助控制器17。BTLE19是根据Bluetooth(注册商标)低功耗标准的低功耗无线通信芯片。辅助控制器17向外部服务器无线发送指示劣化检查结果的通知信号，诸如警告消息。另一个无线通信模块可被用来替代BTLE。在检查结果被发送到服务器的情况下，添加用于识别非易失性半导体存储介质1的ID(标识符)，从而可以在服务器侧识别出与检查结果相关的非易失性半导体存储介质1。

辅助控制器17利用从电池18供给的电力，并定期唤醒以执行自动激活。辅助控制器17定期驱动温度传感器20来测量闪存14的温度。当执行温度测量时温度测量结果和与时刻(年、月、日)相关的信息被存储在实时时钟18的非易失性存储区域。

在如上所述的非易失性半导体存储介质1中，辅助控制器17能够推测闪存14的劣化状态，并且在必要时将推测结果传输至外部服务器。以极低的功耗执行这个操作，这样使得即使不提供能量也可以连续操作。因此，即使在将非易失性半导体存储介质1没有连接到主机2的状态下，例如，在存储状态中，也能够推测劣化状态。

闪存14的内部结构被分成图5中示意性示出的多个存储区域。数据存储区域140占有最大区域，并存储从主机2发送的记录数据。管理区域141存储管理信息，如待记录数据的地址及其重写次数，并因此对其使用与数据存储区域140具有不同特征(即，具有更高的可靠性)的半导体存储器芯片。

地址管理区域142存储由主机2指示的地址与数据实际保存地址之间的转换表等。重写次数管理表143存储“执行了多少次重写”的信息。大多数的闪存具有这样的特征，即，随着重写次数的增加，劣化加剧，并且存储保持时间缩短。

预期寿命表144是一个数据表，在数据中，在重写次数的基础上保证数据保持特征的时间(在下文中根据需要称为预期寿命)。图6示出了预期寿命表144的实例。对于重写次数的每个范围(y)，确定对应的预期寿命Tmax[y]。预期寿命是重写块之后保证块数据的保持的时间。

写入时刻表145是存储对块执行写入时的时刻的区域。对于每个块，存储写入时刻。

此处，总重写次数y越多，预期寿命Tmax[y]变得越短(T1>T2>T3...)。应当注意，重写次数y通过称为均衡(wearleveling)的平滑化块的重写次数的函数来计算，该函数针对典型闪存的控制软件而设置。重写次数作为管理数据被存储在闪存中，所以可以使用它们的值。

参照图7的流程图，将描述控制器13在执行写入闪存14时所执行的处理。当非易失性半导体存储介质1被连接到主机2时，执行写入处理，并且从光电能量转换元件15向其提供电力。

步骤S1：将数据新写入到闪存14的块A。

步骤S2：从实时时钟16获得的当前时刻是在写入时刻表145中对应于数据块A的区域。

步骤S3：控制器13确定块A的寿命推测值，也就是说，从重写次数管理表143确定块A的过去重写次数。然后，参照预期寿命表144，确定块A的预期寿命。最后，从写时刻表145确定对块A的写入时刻。通过增加相对于写入时刻的预期寿命，推测保持块A的数据的时刻。作为结果获得的时刻被设定为寿命推测值。预期寿命是时间，而寿命推测值是时刻(年、月、日)。然而，不是基于时刻而是基于预期寿命时间来确定非易失性半导体存储介质1的寿命。

步骤S4：控制器13对闪存14的所有块执行这样的检查。

步骤S5：在从所有的块获得的寿命推测值之中，选择最短的值并设定为最短寿命推测值ETmin。因此，控制器13存储在实时时钟的非易失性存储区域中获得的最短寿命推测值ETmin。

要注意的是，在没有新的写入数据的情况下，控制器13停止执行以抑制功耗。

在非易失性半导体存储介质1没有被连接到主机的状态，例如，在存储状态下，辅助控制器17由从实时时钟16所提供的脉冲以极低的功耗定期激活。此外，辅助控制器17检查非易失性半导体存储介质1。此处，为了便于说明，将假设以周期Tb激活辅助控制器17。参照图8的流程图，将对检查非易失性半导体存储介质1状态的处理进行说明。

步骤S11：以周期Tb激活辅助控制器17。

步骤S12：辅助控制器17读取温度传感器20的温度测量值Tmes。温度测量值Tmes表示当前温度。非易失性半导体存储介质1的元件根据温度以指数函数方式劣化。

步骤S13：辅助控制器17使用温度测量值Tmes，通过以下阿列纽斯模型的等式(1)，来计算温度加速系数α。

温度加速度系数α＝exp{(Ea/k)·((1/Tmes)-(1/Tbase))} (1)

公式(1)中的变量如下。

Ea：激活能

k：玻尔兹曼系数

Tmes：由温度传感器20测得的绝对温度

Tbase：参考绝对温度(例如，300度)

步骤S14：辅助控制器17将温度加速系数α和周期Tb相乘，从而确定实际劣化度α·Tb。

步骤S15：辅助控制器17读取存储在实时时钟的非易失性存储区域的最短寿命推测值ETmin，并按照下面的公式所示来更新该值。

ETmin[new]＝ETmin[old]-α·Tb (2)

在公式(2)中，ETmin[new]表示当前最短寿命推测值。辅助控制器17将ETmin[new]的值返回到实时时钟的非易失性存储区域，以更新该值。

步骤S16：如果最短寿命推测值ETmin[new]变为0或更低，记录在非易失性半导体存储介质1中的存储元件的任何部分劣化，并可能达到寿命终点。鉴于此，辅助控制器17对更新的最短寿命推测值ETmin[new]和预设警告级别Tw进行相互比较。也就是说，辅助控制器17检查是否满足下面的表达式(3)。例如，警告级别Tw是通过对保证存储保持的时刻增加预定裕度而获得的时刻。

最短寿命推测值ETmin[new]<警告级别Tw...(3)

步骤S17：在满足表达式(3)的情况下，这意味着，非易失性半导体存储介质1中的存储元件的一部分接近寿命终点。在这种情况下，辅助控制器17通过作为低功率无线通信芯片的BTLE19，将基于劣化检查结果的警告通知连同非易失性半导体存储介质1的ID无线传输到外部服务器。替代或除了无线传输之外，可以利用设置在非易失性半导体存储介质1的壳体表面的发光二极管(LED)等来执行警告显示。此外，可以产生声音警告。

如上所述，根据本发明，作为根据温度和重写次数而改变的闪存的数据保持保证时间，通过使用温度传感器计算出有效时间，并且可以预先产生警告。因此，能够防止数据在非易失性半导体存储介质1的存储期间自然消失，并提高了可靠性。利用电池操作的部分以周期Tb间歇操作，用于操作的能量仅用于简单的四则运算和温度测量。因此，功耗非常低，因而可以实现10年以上的长期操作。

<3.另一个实施方式>

在上述实施方式中，无线传输非易失性半导体存储介质的识别信息和警告通知。此外，当管理大量的非易失性半导体存储介质时，人们期望除了作为识别信息指定非易失性半导体存储介质之外，使用表示其存储位置的信息。

在另一个实施方式中，连同非易失性半导体存储介质的检查结果一起，传输识别信息与存储位置信息。在这样的实施方式中的非易失性半导体存储介质的结构通过将位置检测装置添加到与上述实施方式相同的结构中而形成。例如，可以使用利用Wi-Fi的位置推测。此外，通过使用超声波测距技术的本地位置信息系统，对非易失性半导体存储介质的位置进行测量。作为另一种结构，可以识别货架式寄存器(shelves)的存储位置，并且其存储位置的信息可以作为存储位置信息来传输。此外，可以使用指示多个非易失性半导体存储介质的存储区域的位置信息。在这种情况下，也使用发光设备(例如LED)的发光，以及最终指定非易失性半导体存储介质。

如在本实施方式中，通过向作为警告目标的服务器通知非易失性半导体存储介质的存储位置，获得了介质很容易发现这样的优点。

应当注意，本发明内容可以采取以下配置。

(1)一种存储装置，包括：

检测单元，被配置为检测非易失性存储器的劣化因素；

存储单元，被配置为保存寿命推测值；

更新单元，被配置为基于由所述检测单元所检测的所述劣化因素更新所述寿命推测值；以及

确定单元，被配置为使用由所述更新单元所更新的所述寿命推测值，以产生通知信号。

(2)根据项(1)所述的存储装置，其中，

当通过计算机访问所述非易失性存储器时，确定所述寿命推测值并将所述寿命推测值存储在所述存储单元中。

(3)根据项(1)或(2)所述的存储装置，其中，

所述非易失性存储器是半导体存储器，并且所述寿命推测值是基于对所述半导体存储器的重写次数获得的值。

(4)根据项(1)至(3)的任一项所述的存储装置，其中，

所述劣化因素是温度，并且所述检测单元以预设周期测量所述温度。

(5)根据项(1)至(4)的任一项所述的存储装置，其中，

通过无线通信将所述通知信号传输至外部管理装置。

(6)根据项(1)至(5)的任一项所述的存储装置，其中，

所述通知信号被用来控制发光元件的发光。

(7)根据项(1)至(6)的任一项所述的存储装置，其中，

所述非易失性存储器、所述检测单元、所述存储单元、所述更新单元和所述确定单元被存储在可移植型的普通壳体中。

(8)一种存储管理方法，包括：

由检测单元检测非易失性存储器的劣化因素；

由存储单元保存寿命推测值；

由更新单元基于由所述检测单元所检测的所述劣化因素更新所述寿命推测值；以及

由确定单元使用所更新的所述寿命推测值来产生通知信号。

<4.修改示例>

在上文中，对本发明的实施方式进行了具体说明。然而，本发明并不限于上述实施方式，并且可以进行各种修改。例如，上述实施方式中给出的结构、方法、处理、形状，材料、数值等仅仅是示例，必要时可以使用不同的结构、方法、处理、形状、材料、数值等。例如，本发明可应用于其中劣化因素是除温度之外的湿度、紫外线量等情况。此外，在不脱离本发明主旨的情况下，上述实施方式中的结构、方法、处理、形状、材料、数值等可以相互组合。

本领域技术人员应当理解，根据设计需求和其他因素，在所附权利要求或其等价物范围内，可以进行各种变形、组合、子组合和修改。

Claims (8)

1.一种存储装置，包括：

检测单元，被配置为检测非易失性存储器的劣化因素，所述劣化因素为所述非易失性存储器的温度；

存储单元，被配置为保存基于对所述非易失性存储器的重写次数获得的寿命推测值；

更新单元，被配置为基于由所述检测单元所检测的所述劣化因素更新所述寿命推测值；以及

确定单元，被配置为使用与所述非易失性存储器的温度相关联的所更新的所述寿命推测值，产生通知信号，

其中，当通过计算机访问所述非易失性存储器时，基于对所述非易失性存储器的重写次数确定所述寿命推测值并将所述寿命推测值存储在所述存储单元中，并且当没有所述计算机访问所述非易失性存储器时，基于所检测的所述非易失性存储器的温度更新所述寿命推测值。

2.根据权利要求1所述的存储装置，其中，

所述非易失性存储器是半导体存储器。

3.根据权利要求1所述的存储装置，其中，

所述检测单元以预设周期测量所述非易失性存储器的温度。

4.根据权利要求1所述的存储装置，其中，

通过无线通信将所述通知信号传输至外部管理装置。

5.根据权利要求1所述的存储装置，其中，

所述通知信号被用来控制发光元件的发光。

6.根据权利要求1所述的存储装置，其中，

所述非易失性存储器、所述检测单元、所述存储单元、所述更新单元和所述确定单元被存储在便携式的通用的壳体中。

7.根据权利要求1所述的存储装置，进一步包括：

位置检测装置，被配置为在存在被管理的多个非易失性存储器时产生存储位置信息。

8.一种存储管理方法，包括：

由检测单元检测非易失性存储器的劣化因素，所述劣化因素为所述非易失性存储器的温度；

由存储单元保存基于对所述非易失性存储器的重写次数获得的寿命推测值；

由更新单元基于由所述检测单元所检测的所述劣化因素更新所述寿命推测值；以及

由确定单元使用与所述非易失性存储器的温度相关联的所更新的所述寿命推测值来产生通知信号，

其中，当通过计算机访问所述非易失性存储器时，基于对所述非易失性存储器的重写次数确定所述寿命推测值并将所述寿命推测值存储在所述存储单元中，并且当没有所述计算机访问所述非易失性存储器时，基于所检测的所述非易失性存储器的温度更新所述寿命推测值。