CN109147849A - 数据储存装置及非挥发式存储器操作方法 - Google Patents

数据储存装置及非挥发式存储器操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数据储存装置及非挥发式存储器最佳化操作方法。一微控制器配置该非挥发式存储器储存一主机要求的写入数据。根据一第一写入模式累积的写入数据量、以及一第二写入模式累积的写入数据量，该微控制器穿插以该第一写入模式以及该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于该第二写入模式。

Description

数据储存装置及非挥发式存储器操作方法
技术领域
本发明有关于非挥发式存储器的最佳化操作。
背景技术
数据储存装置所采用的非挥发式存储器有多种形式─例如，快闪存储器(flashmemory)、磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive RAM)、铁电随机存取存储器(Ferroelectric RAM)、电阻式随机存取存储器(Resistive RAM)、自旋转移力矩随机存取存储器(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM)…等，用于长时间数据保存。
以上类型的非挥发式存储器有其使用年限。例如，快闪存储器各区块(block)的抹除(erase)次数有其限制。达抹除上限的区块不适合再被写入数据。随着超出抹除上限的区块数量增加，快闪存储器的使用寿命缩短。由于抹除需求取决于快闪存储器的操作方式，如何最佳化操作非挥发式存储器继而延长装置寿命为本技术领域一项重大课题。
发明内容
根据本发明一种实施方式所实现的一数据储存装置具有一非挥发式存储器以及一微控制器。该微控制器配置该非挥发式存储器储存一主机要求的写入数据。根据一第一写入模式累积的写入数据量以及一第二写入模式累积的写入数据量，该微控制器穿插以该第一写入模式以及该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于该第二写入模式。
一种实施方式中，该微控制器是在该第一写入模式累积的写入数据量超越一动态临界标准时，自该第一写入模式切换至该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。该动态临界标准是随着该第二写入模式累积的写入数据量变动。
一种实施方式中，该微控制器是于一判断式为真时，自该第一写入模式切换至该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。该判断式为(WCnt#2+N)/M<WCnt#1。WCnt#1为该第一写入模式累积的写入数据量。WCnt#2为该第二写入模式累积的写入数据量。N以及M为数值，使(WCnt#2+N)/M为上述动态临界标准。N以及M可相关于该数据储存装置的保固需求。
一种实施方式中，该非挥发式存储器为快闪存储器。N以及M更相关于该快闪存储器的区块总数、以及各区块的尺寸与抹除次数上限。
根据本发明一种实施方式实现的一非挥发式存储器操作方法包括：配置一非挥发式存储器储存一主机要求的写入数据；以及根据一第一写入模式累积的写入数据量以及一第二写入模式累积的写入数据量，穿插以该第一写入模式以及该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于该第二写入模式。
下文特举实施例，并配合附图，详细说明本发明内容。
附图说明
图1A与图1B别对应SLC与TLC技术，图解不同逻辑意义下，相对闸极浮动电子的存储单元分布概率；
图2为方块图，图解根据本发明一种实施方式所实现的一数据储存装置200；
图3为流程图，根据本发明一种实施方式图解微控制器204对快闪存储器202的操作，其中使用了以上判断式(1)以及(2)决定所配置的区块采用的储存技术；以及
图4为效能图，其中横轴为累积的写入数据量，纵轴为数据储存装置200的效能。
符号说明
200～数据储存装置；
202～快闪存储器；
204～微控制器；
206～主机；且
S302…S310～步骤。
具体实施方式
以下叙述列举本发明的多种实施例。以下叙述介绍本发明的基本概念，且并非意图限制本发明内容。实际发明范围应依照权利要求书界定。
非挥发式存储器可以是快闪存储器(flash memory)、磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive RAM)、铁电随机存取存储器(Ferroelectric RAM)、电阻式存储器(Resistive RAM，RRAM)、自旋转移力矩随机存取存储器(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM)…等具有长时间数据保存的存储器装置。以下特别以快闪存储器(flash memory)为例进行讨论，但不限定应用于快闪存储器领域。
现今数据储存装置常以快闪存储器为储存媒体，常用来实现记忆卡(memorycard)、通用序列汇流排闪存装置(USB flash device)、固态硬碟(SSD)…等产品。另外，有一种应用是采多晶片封装、将快闪存储器与其控制器包装在一起─称为嵌入式快闪存储器模组(如eMMC)。
以快闪存储器为储存媒体的数据储存装置可应用于多种电子装置中。所述电子装置包括智慧型手机、穿戴装置、平板电脑、虚拟实境设备…等。电子装置的中央处理单元(CPU)可视为操作所述数据储存装置的一主机。
快闪存储器的储存空间可以区块(block)为单位做管理。各区块可配置采用特定形式的储存方式。例如，一区块配置单阶存储单元(single level cell，简称SLC)，称为SLC区块，或者，一区块配置三阶存储单元(triple level cell，简称TLC)，称为TLC区块。一个单阶存储单元是对应一个位元的数据。一个三阶存储单元是对应三个位元的数据。同尺寸物理空间，SLC区块所储存的数据仅是TLC区块的三分之一。另外，TLC区块可操作在TLC模式(例如：TLC写入模式)或SLC模式(例如：SLC写入模式)下。当操作在SLC模式下时，TLC区块可模拟为SLC区块，即TLC区块的三阶存储单元仅储存一个位元的数据(有效数据)。当操作在TLC模式下时，TLC区块的三阶存储单元储存三个位元的数据。
图1A与图1B分别对应SLC与TLC模式，图解不同逻辑意义下，存储单元的闸极浮动电子的分布概率图。如图所示，一存储单元的逻辑定义是依照存储单元的闸极浮动电子量划分。单阶存储单元(SLC)的逻辑分界较三阶存储单元(TLC)明确；不仅可靠度较高、写入速度也较快。三阶存储单元(TLC)则是在储存容量上有其优势。然而，单阶存储单元(SLC)有写入放大(Write amplification)问题。同一笔数据以单阶存储单元(SLC)储存所占据的物理空间将远大于三阶存储单元(TLC)，连带引发过量抹除需求，缩短快闪存储器寿命。或是，单阶存储单元(SLC)中的数据在考量存储器容量的前提下会伺机搬移至三阶存储单元(TLC)储存(如，垃圾回收garbage collection)，此动作也会引发抹除需求。在考量快闪存储器生命周期的前提下，如何最佳化区块所，即区块储存数据时应操作在单阶存储单元(SLC)或三阶存储单元(TLC)模式为以下讨论重点。
图2为方块图，图解根据本发明一种实施方式所实现的一数据储存装置200。数据储存装置200以一快闪存储器202为储存媒体，并具有一微控制器204。在该微控制器204的操作下，一主机206得以对该快闪存储器202进行存取。该微控制器204可载有程式码且具有执行所述程式码的运算硬件。该快闪存储器204的储存空间如前述以区块(block)为单位进行管理，可个别操作在SLC或TLC模式下以储存数据。微控制器204会计数一SLC写入数据量(以下标号SLC_WCnt)以及一TLC写入数据量(以下标号TLC_WCnt)。SLC写入数据量SLC_WCnt计数曾经以SLC模式储存自主机206所接收的数据量。TLC写入数据量TLC_WCnt计数曾经以TLC模式储存自主机206所接收的数据量。微控制器204在配置使用快闪存储器202提供的储存空间时，将上述SLC写入数据量SLC_WCnt以及TLC写入数据量TLC_WCnt纳入考量，交替或单独操作在SLC模式或TLC模式。SLC写入模式下，微控制器204是配置快闪存储器202的区块以SLC模式储存主机206要求写入的数据。TLC写入模式下，微控制器204配置快闪存储器202的区块以TLC模式储存主机206要求写入的数据。如此一来，SLC的写入放大所附带的抹除计数骤增风险将被分散，数据储存装置200寿命不受威胁。特别是，数据储存装置200于保固期内都可保有一定效能。即使保固期限将届，数据储存装置200仍有余裕切换到高速且高可靠度的SLC写入模式。
一种实施方式使用以下判断式(1)：
((TLC_WCnt+N)/M)<SLC_WCnt (1)
N与M为正整数。SLC写入模式储存数据使得SLC写入数据量SLC_WCnt增长。当判断式(1)满足时，微控制器204将快闪存储器202不再采用SLC写入模式储存数据，而以TLC写入模式储存数据。如此一来，快闪存储器202的区块仅一小段时间运作于SLC写入模式下，其余时间皆运作于TLC写入模式下，因此，不会陷于SLC写入模式无法跳脱。各区块的抹除次数不会因为长时间运作于SLC写入模式下而迅速地跳增。
判断式(1)的数值N与M可以是根据数据储存装置200的保固需求以及快闪存储器202的物理特性而设定。一种实施方式中，数据储存装置200的保固写入数据量为72T，快闪存储器202具有900个区块，各区块可供储存144M数据、且各区块的抹除次数上限为1500次。各区块应付72T的保固需求的抹除次数为583次(72T/(900*144M))。相较于1500次的抹除计数上限，各区块有916次的抹除次数可以耗费在SLC技术上。判断式(1)可令N为12T且M为12，使此916次的余裕可以分摊在快闪存储器202的生命周期中。或者，考量到如SLC写入放大现象，各区块基本使用预期耗费的抹除次数可能为1166次(583*2)，余裕的抹除次数降低，判断式(1)的数值N与M也可以有对应的设计。
一种实施方式更使用以下判断式(2)：
SpareBlk_Num>SLC_Th (2)
SpareBlk_Num为快闪存储器202的闲置区块(spare blocks)总数。SLC_Th为SLC启动临界。微控制器204在配置该快闪存储器202提供空间储存主机206传来数据时，会检查判断式(2)。判断式(2)若满足，代表快闪存储器202空间充裕，尚不需追求储存密度。微控制器204是令配置的区块操作在SLC模式下以储存数据，善用SLC模式的高可靠度与高写入效能。判断式(2)为切入SLC写入模式的条件。
在一种实施方式中，微控制器204可在主机206对快闪存储器202无读写要求时，或系统闲置时，将以SLC模式储存的数据搬移至操作在TLC模式下的区块，以兼顾存储器容量。上述数据搬移将增加闲置区块的数量，利于判断式(1)进行。
图3为流程图，根据本发明一种实施方式图解微控制器204对快闪存储器202的操作，其中使用了以上判断式(1)以及(2)决定所配置的区块采用的操作模式。步骤S302，微控制器204自主机206接收到写入需求。步骤S304，微控制器204检查判断式(2)。判断式(2)不满足时，代表快闪存储器202空间不充裕，微控制器204根据步骤S306令所配置的区块以TLC模式储存来自主机206的数据。判断式(2)满足时，代表快闪存储器202空间充裕，微控制器204更根据步骤S308检查判断式(1)。SLC写入数据量SLC_WCnt若尚未增长至判断式(1)成立，微控制器204根据步骤S310令所配置的区块以SLC模式储存来自主机206的数据，善用SLC模式的高可靠度以及高写入速度。反之，判断式(1)若成立，微控制器204即切换根据步骤S306以TLC模式储存来自主机206的数据，避免过度触发区块抹除动作。
图4为效能图；横轴为累积的写入数据量，纵轴为数据储存装置200的效能。图例遵循以上判断式(1)与(2)。交错地使区块操作在高效的SLC模式下，直到数据储存装置200的生命周期尽头(写入数据量近72T)，也有出现以SLC模式储存数据的机会。此效能图主要显示SLC写入模式以及TLC写入模式的穿插概念。实际的数据储存装置200运作会使得图例各T的SLC写入模式是切分地更细散布在对应的13T(1T的SLC写入模式+12T的TLC写入模式)区间。
此段落讨论一种数据储存装置200使用状况，其中少量使用快闪存储器202且是反复对一段逻辑地址更新数据。基于判断式(1)，快闪存储器202不会因为空间充足而全面使用SLC模式储存来自主机206的数据。TLC写入模式将穿插出现。快闪存储器202因而受保护，不因SLC技术的写入放大而过早损毁。
此段落讨论另外一种数据储存装置使用状况，其中主机206要求大量写入数据。基于判断式(1)，快闪存储器202不会在运作的初期全面使用SLC写入模式。判断式(2)可较晚才不被满足。即使是大量写入数据，一段时间后，数据储存装置200也还是有机会改以SLC写入模式储存来自主机206的数据，享有SLC写入模式的高可靠度以及高写入速度。
其他实施例中，跳脱SLC写入模式，改选择TLC写入模式的条件可能与判断式(1)有些微出入。SLC写入数据量SLC_WCnt以及TLC写入数据量TLC_WCnt之间比例可以其他判断式控制。一种实施方式是判断SLC写入数据量SLC_WCnt是否超越一动态临界标准。该动态临界标准是随着TLC写入数据量TLC_WCnt变动。SLC写入数据量SLC_WCnt超越该动态临界标准时，微控制器204自SLC写入模式切换至TLC写入模式，用配置的区块储存该主机206要求的写入数据。
其他实施例中，微控制器204可以是操作快闪存储器202在SLC写入模式与其他阶写入模式间切换。例如，快闪存储器202也可以是配置成一存储单元储存两位元数据的多阶存储单元(multiple level cell，简称MLC)。微控制器204可以是操作快闪存储器202在SLC写入模式与MLC写入模式间切换。或者，微控制器204可以是操作快闪存储器202在三种以上写入模式切换。例如，微控制器204可以是操作快闪存储器202在SLC写入模式、MLC写入模式、以及TLC写入模式间切换。此外，随着技术发展，一存储单元储存更多位元数据的技术也都可以应用于本发明。上述MLC以及TLC技术也可以其他数值的复数阶存储单元技术替换。
其他采用上述概念操作非挥发式存储器的技术都属于本发明所欲保护的范围。基于以上技术内容，本发明更可发展出非挥发式存储器操作方法。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定为准。

Claims (20)

1.一种数据储存装置，包括：
一非挥发式存储器；以及
一微控制器，配置该非挥发式存储器储存一主机要求的写入数据；
其中：
根据一第一写入模式累积的写入数据量以及一第二写入模式累积的写入数据量，该微控制器穿插以该第一写入模式以及该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据；且
一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于该第二写入模式。
2.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器是在该第一写入模式累积的写入数据量超越一动态临界标准时，自该第一写入模式切换至该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据；且
该动态临界标准是随着该第二写入模式累积的写入数据量变动。
3.如权利要求2所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器于一判断式为真时，自该第一写入模式切换至该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据；
该判断式为(WCnt#2+N)/M<WCnt#1；
WCnt#1为该第一写入模式累积的写入数据量；
WCnt#2为该第二写入模式累积的写入数据量；且
N以及M为数值，使(WCnt#2+N)/M为上述动态临界标准。
4.如权利要求3所述的数据储存装置，其特征在于：
N以及M相关于该数据储存装置的保固需求。
5.如权利要求4所述的数据储存装置，其特征在于：
该非挥发式存储器为快闪存储器；且
N以及M更相关于该快闪存储器的区块总数、以及各区块的尺寸与抹除次数上限。
6.如权利要求2所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器是在该非挥发式存储器的可配置空间大于一第一写入模式启动临界时，以该第一写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。
7.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器在该非挥发式存储器的可配置空间不大于该第一写入模式启动临界时，是以该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。
8.如权利要求2所述的数据储存装置，其特征在于：
该非挥发式存储器为快闪存储器；且
该第一写入模式为单阶存储单元写入模式，使所配置的区块的各存储单元储存一位元的数据；且
该第二写入模式使所配置的区块的各存储单元储存多于一位元的数据。
9.如权利要求8所述的数据储存装置，其特征在于：
该第二写入模式为三阶存储单元写入模式，使所配置的区块的各存储单元储存三位元的数据。
10.如权利要求9所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器于该主机不存取该快闪存储器时，将单阶存储单元储存的数据搬移到采三阶存储单元进行储存的区块。
11.一种非挥发式存储器操作方法，包括：
配置一非挥发式存储器储存一主机要求的写入数据；以及
根据一第一写入模式累积的写入数据量以及一第二写入模式累积的写入数据量，穿插以该第一写入模式以及该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据；
其中，一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于该第二写入模式。
12.如权利要求11所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于还包括：
在该第一写入模式累积的写入数据量超越一动态临界标准时，自该第一写入模式切换至该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据；
其中，该动态临界标准是随着该第二写入模式累积的写入数据量变动。
13.如权利要求12所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于还包括：
于一判断式为真时，自该第一写入模式切换至该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据，
其中：
该判断式为(WCnt#2+N)/M<WCnt#1；
WCnt#1为该第一写入模式累积的写入数据量；
WCnt#2为该第二写入模式累积的写入数据量；且
N以及M为数值，使(WCnt#2+N)/M为上述动态临界标准。
14.如权利要求13所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于：
N以及M相关于配备该非挥发式存储器的一数据储存装置的保固需求。
15.如权利要求14所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于：
该非挥发式存储器为快闪存储器；且
N以及M更相关于该快闪存储器的区块总数、以及各区块的尺寸与抹除次数上限。
16.如权利要求12所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
在该非挥发式存储器的可配置空间大于一第一写入模式启动临界时，以该第一写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。
17.如权利要求16所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
在该非挥发式存储器的可配置空间不大于该第一写入模式启动临界时，以该第二写入模式配置该非挥发式存储器储存该主机要求的写入数据。
18.如权利要求12所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于：
该非挥发式存储器为快闪存储器；且
该第一写入模式为单阶存储单元写入模式，使所配置的区块的各存储单元储存一位元的数据；且
该第二写入模式使所配置的区块的各存储单元储存多于一位元的数据。
19.如权利要求18所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于：
该第二写入模式为三阶存储单元写入模式，使所配置的区块的各存储单元储存三位元的数据。
20.如权利要求19所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
于该主机不存取该快闪存储器时，将单阶存储单元储存的数据搬移到采三阶存储单元进行储存的区块。
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