CN109254926B - 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操作方法，有关于一种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。该微控制器包括动态调整一第一写入模式关闭临界。该微控制器基于该第一写入模式关闭临界启动以一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。一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于一第二写入模式。

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。该微控制器包括动态调整一第一写入模式关闭临界。该微控制器系基于该第一写入模式关闭临界启动以一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。一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于一第二写入模式。
一种实施方式中，随着该非挥发式存储器释出曾使用过的空间，该微控制器动态调整该第一写入模式关闭临界。
一种实施方式中，进行前景操作使该非挥发式存储器释出曾使用过的空间时，该微控制器上拉该第一写入模式关闭临界。该微控制器是以上述前景操作回应该主机提出的要求。
一种实施方式中，进行背景操作使该非挥发式存储器释出曾使用过的空间时，该微控制器下拉该第一写入模式关闭临界。上述背景操作中，该主机无要求操作该非挥发式存储器。
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；动态调整一第一写入模式关闭临界；以及基于该第一写入模式关闭临界启动以一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。一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于一第二写入模式。
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分别对应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根据本发明一种实施方式图解一SLC关闭临界SLC_Th的动态调整流程；
图4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，其中使用一判断式决定所配置的区块采用的储存技术，该判断式考量了该SLC关闭临界SLC_Th；以及
图5上半部为效能图，下半部对应图解快闪存储器202空区块消涨状况。
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；
502～SLC关闭临界SLC_Th初始值；
504～SLC关闭临界SLC_Th下降量Δ后的水位；
506～快闪存储器202总使用量；
508～SLC关闭临界SLC_Th初始水位；
512、514、516～快闪存储器202区块使用状况；
518～写入行为；
bad～效能标号；
S302…S308、SS402…S406～步骤；
TS～快闪存储器202最大储存数据量。
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申请专利范围界定。
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)、通用串行总线闪存装置(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SLC系储存一个位元的数据，一个TLC系储存三个位元的数据。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TLC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TLC可储存三个位元的数据。
图1A与图1B分别对应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。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。SLC的逻辑分界较TLC明确；不仅可靠度较高、写入速度也较快。TLC则是在储存容量上有其优势。然而，由于SLC多半作为数据快取的媒体，导致数据搬移的频率较高，因而存在写入放大问题，亦存在高频抹除的问题，而高频抹除会导致快闪存储器寿命缩短。或是，SLC中的数据在考量数据储存装置的数据储存容量的前提下会伺机搬移至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，如何最佳化配置区块采SLC或TLC技术为以下讨论重点。
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202的储存空间如前述以区块(block)为单位进行管理，可个别配置以SLC或TLC方式储存数据。
关于主机206要求的写入数据，微控制器204在配置该快闪存储器202提供区块进行储存时，还检查一判断式：
SpareBlk_Num>SLC_Th
SpareBlk_Num为快闪存储器202的空区块(free blocks)总数，SLC_Th为SLC关闭临界。假设，快闪存储器202的区块总数为1024，SLC_Th为512，由于快闪存储器202尚未储存任何数据，所以SpareBlk_Num也为1024。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，会检查该判断式。该判断式若满足，代表快闪存储器202空间充裕，尚不需追求储存密度，因此，微控制器204系令配置的区块以SLC技术接收数据，善用SLC技术的高可靠度与高写入效能。待储存一定数据之后，SpareBlk_Num降为512，使得判断式不再满足，代表写入数据量大，导致快闪存储器202的区块消耗量大。此时，微控制器204是令配置的区块以TLC技术接收数据，善用TLC技术的高储存密度，降低快闪存储器202的区块消耗量。
特别的是，微控制器204是动态调整该SLC关闭临界SLC_Th，以符合使用者对数据储存装置200的使用习惯。大数据量的写入习惯可对应较高的SLC关闭临界SLC_Th，例如768。如此一来，前述判断式不易满足，微控制器204令配置的区块以TLC技术应付大量写入数据，使数据储存装置200提供小量的高写入效能但是大量的数据储存能力，满足使用者的大数据量需求。此外，由于较少以单阶存储单元SLC储存数据，单阶存储单元SLC至三阶存储单元TLC的数据搬移发生率降低，数据储存装置200运作效能也会显著提升。相反的，如果使用者仅储存小量数据至数据储存装置200时，则可降低SLC关闭临界SLC_Th，例如128。如此一来，前述判断式经常满足，微控制器204令配置的区块以SLC技术应付小量写入数据，使数据储存装置200提供较高的写入效能但是较低的数据储存能力，满足使用者的小数据量需求。
一种实施方式中，微控制器204随着SpareBlk_Num数值的变化而动态调整该SLC关闭临界SLC_Th。例如，SpareBlk_Num数值减4时，SLC关闭临界SLC_Th数值减1，则SpareBlk_Num数值减至340时，SLC关闭临界SLC_Th数值将减至341，导致前述判断式不再满足。之后，经过数据搬移或是垃圾回收程序使得SpareBlk_Num数值增加后，前述判断式才会被满足。
一种实施方式中，微控制器204依据前述判断式的满足时间长度来动态调整该SLC关闭临界SLC_Th。例如，前述判断式的满足时间超过1个小时，则SLC关闭临界SLC_Th数值加1，反之则减1。
一种实施方式中，微控制器204是根据区块空间释出于前景模式(foreground)或背景模式来增减SLC关闭临界SLC_Th。例如，大数据量的写入要求会造成快闪存储器202的空区块量骤减，微控制器204需在前景操作中更进行垃圾回收(garbage collection)释出区块空间，以及时接收写入数据。藉由垃圾回收，零散分布的有效数据自区块中复制出，徒留无效数据的该区块空间因而释出。如此前景操作的区块空间释出行为可驱动该微控制器204上拉该SLC关闭临界SLC_Th。例如，加1。对于大量写入消耗空区块的使用者行为，上拉的SLC关闭临界SLC_Th会造成判断式SpareBlk_Num>SLC_Th不易成立，微控制器204倾向配置该快闪存储器202、的区块采TLC技术接收数据。TLC技术的高密度储存优点利于大量数据写入。特别是，由于不轻易以SLC接收数据，故不易有因应大容量需求而发生的SLC至TLC数据搬移。数据储存装置200的操作效能显著提升。SLC至TLC数据搬移所附带的抹除计数剧增现象也可避免。数据储存装置200保固期可更长。
反之，区块空间释出于背景模式时，则微控制器204下拉该SLC关闭临界SLC_Th，例如，减1。例如，主机206不要求操作(如，读写)该快闪存储器202时，微控制器204可以此空档进行SLC至TLC数据搬移(也是一种垃圾回收garbage collection)。如此背景操作的区块空间释出行为可驱动该微控制器204下拉该SLC关闭临界SLC_Th，例如，减1。此为SLC关闭临界SLC_Th回调机制。
图3根据本发明一种实施方式图解该SLC关闭临界SLC_Th的动态调整流程。步骤S302，微控制器204进入SLC关闭临界SLC_Th动态微调程序。步骤S304，微控制器204监控区块释出动作。若快闪存储器202释出的区块空间是于前景操作(例如，为了应付主机206发出的写入要求)进行，流程进入步骤S306，微控制器204上拉该SLC关闭临界SLC_Th。例如，加1。若快闪存储器202释出的区块空间是于背景操作(例如，主机206对快闪存储器202没有存取要求，微控制器204有余裕进行快闪存储器202空间整理)进行，流程进入步骤S308，微控制器204下拉该SLC关闭临界SLC_Th。例如，减1。
图4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，其中使用一判断式决定所配置的区块采用的储存技术，该判断式考量了上述SLC关闭临界SLC_Th。此实施例以前述SpareBlk_Num>SLC_Th判断式进行讨论。步骤S402，微控制器204自主机206接收到写入要求。步骤S404，微控制器204检查判断式，判断快闪存储器202的空区块总数SpareBlk_Num是否多于SLC关闭临界SLC_Th。判断式不满足时，代表快闪存储器202空间不充裕，微控制器204根据步骤S406令所配置的区块以TLC技术接收主机206写入的数据。判断式满足时，代表快闪存储器202空间充裕，微控制器204根据步骤S408令所配置的区块以SLC技术接收主机206写入的数据，善用SLC写入模式的高可靠度以及高写入速度。图3对SLC关闭临界SLC_Th的动态调整将使得SLC以及TLC区块配置符合使用者操作习惯。数据储存装置200使用年限延长。
图5上半部为效能图，下半部对应图解快闪存储器202空区块消涨状况。上半部的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。下半部以空白区显示空区块量，斜线区显示采SLC技术的区块，点状区显示采TLC技术的区块。图例依循判断式SpareBlk_Num>SLC_Th配置快闪存储器202提供区块接收写入数据，其中包括动态调整SLC关闭临界SLC_Th。
SLC关闭临界SLC_Th初始值如标号502所示，设定为快闪存储器202区块总数的一半─对应快闪存储器202总尺寸(最大储存数据量，标号TS)的1/6。空卡至写入1/6TS数据前，快闪存储器202区块使用状况如标号512所指图示，系配置区块采SLC技术接收写入数据，数据储存装置200高效运作。
待写入数据超过1/6TS，快闪存储器202区块使用状况如标号514所指图示，是配置区块采TLC技术接收写入数据，数据储存装置200效能略降。
待写入数据超过1/2TS，快闪存储器202区块使用状况如标号516所指图示。因应主机206持续的写入要求，前景操作除了继续配置区块以TLC技术接收写入数据，更将SLC数据搬移到TLC区块，以腾出空间接收后续写入数据。数据储存装置200效能更差(效能标号bad)。所幸，如此前景操作的区块释出使得SLC关闭临界SLC_Th上升量Δ，呈标号504所指水位。经调整后，纵然快闪存储器202总使用量(标号506所指)低于SLC关闭临界SLC_Th初始水位(标号508所指)，微控制器204也不会触发以不适合使用者行为的SLC技术接收写入数据。标号518所指之后续写入行为系配置区块采TLC技术接收写入数据，不再有SLC至TLC数据搬移发生，因而不再落入低效bad状态。
其他实施例中，前述判断式SpareBlk_Num>SLC_Th可有微调。凡是调整判断式的临界设定的技术，都涉及本发明概念。
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由权利要求书界定为准。

Claims (12)

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的区块储存一主机要求的写入数据；
其中：
该微控制器包括动态调整一第一写入模式关闭临界；
该微控制器是基于该第一写入模式关闭临界启动以一第一写入模式或一第二写入模式配置该非挥发式存储器的区块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；
其中，随着该非挥发式存储器释出曾使用过的空间，该微控制器动态调整该第一写入模式关闭临界；
进行背景操作使该非挥发式存储器释出曾使用过的空间时，该微控制器下拉该第一写入模式关闭临界；且
上述背景操作中，该主机无要求操作该非挥发式存储器；
该微控制器是在该非挥发式存储器的可配置空间大于该第一写入模式关闭临界时，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；
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关闭临界时，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。
2.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于：
进行前景操作使该非挥发式存储器释出曾使用过的空间时，该微控制器上拉该第一写入模式关闭临界；且
该微控制器以上述前景操作回应该主机提出的要求。
3.如权利要求1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，其中空间以区块为单位进行管理；
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。
4.如权利要求3所述的数据储存装置，其特征在于：
进行该第一写入模式至该第二写入模式的数据搬移而释出区块写入该主机要求的写入数据时，该微控制器上拉该第一写入模式关闭临界。
5.如权利要求3所述的数据储存装置，其特征在于：
进行重复逻辑地址的数据更新而释出区块时，该微控制器上拉该第一写入模式关闭临界。
6.如权利要求3所述的数据储存装置，其特征在于：
以背景操作进行垃圾回收而释出区块时，该微控制器下拉该第一写入模式关闭临界；
上述背景操作中，该主机无要求操作该快闪存储器。
7.一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；
动态调整一第一写入模式关闭临界；
基于该第一写入模式关闭临界启动以一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；
其中，一存储单元于该第一写入模式下储存的位元数少于一第二写入模式；
随着该非挥发式存储器释出曾使用过的空间，动态调整该第一写入模式关闭临界；
进行背景操作使该非挥发式存储器释出曾使用过的空间时，下拉该第一写入模式关闭临界；
其中，上述背景操作中，该主机无要求操作该非挥发式存储器；
在该非挥发式存储器的可配置空间大于该第一写入模式关闭临界时，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；以及
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关闭临界时，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。
8.如权利要求7所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
进行前景操作使该非挥发式存储器释出曾使用过的空间时，上拉该第一写入模式关闭临界；
其中，上述前景操作用于回应该主机提出的要求。
9.如权利要求7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，其中空间以区块为单位进行管理；
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。
10.如权利要求9所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
进行该第一写入模式至该第二写入模式的数据搬移而释出区块写入该主机要求的写入数据时，上拉该第一写入模式关闭临界。
11.如权利要求9所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
进行重复逻辑地址的数据更新而释出区块时，上拉该第一写入模式关闭临界。
12.如权利要求9所述的非挥发式存储器操作方法，其特征在于，还包括：
以背景操作进行垃圾回收而释出区块时，下拉该第一写入模式关闭临界；
其中，上述背景操作中，该主机无要求操作该快闪存储器。
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