CN113140250B - 一种固态硬盘擦除方法、装置和固态硬盘 - Google Patents

一种固态硬盘擦除方法、装置和固态硬盘 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种固态硬盘擦除方法、装置和固态硬盘，该方法包括获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；根据所述数据量阈值和所述数据量，确定是否增加擦除深度。本发明解决了固态硬盘在高温浅擦除后，低温读取失败的问题，进一步增强了高低温转换场景下的固态硬盘擦除的可靠性。

Description

一种固态硬盘擦除方法、装置和固态硬盘
技术领域
本发明涉及计算机存储技术领域，具体地涉及一种固态硬盘擦除方法、装置和固态硬盘。
背景技术
固态硬盘中的闪存芯片对于温度非常敏感，在某些极端场景下，可能会出现高低温转换时数据读取错误。现有技术通过擦除算法将存储单元的阈值电压压低到参考电压以下，针对跨温度应用主要采用温度补偿算法。温度补偿算法可以弥补部分温度变化引起的数据漂移，但未能彻底解决高温下浅擦除后的风险，在极端跨温度场景下仍然有数据出错的风险。
发明内容
本发明实施例的目的是一种固态硬盘擦除方法、装置和固态硬盘。
固态硬盘（简称SSD）内部主要由主控芯片和多颗闪存芯片组成，其中闪存芯片是数据存储的载体，主控芯片负责管理对外接口，读写算法优化，以及闪存管理等。现有技术通过擦除算法将存储单元的阈值电压压低到参考电压以下，针对跨温度应用主要采用温度补偿算法。温度补偿算法可以弥补部分温度变化引起的数据漂移，但未能彻底解决高温下浅擦除后的风险。
为了解决上述问题，本发明提出了一种固态硬盘擦除方法，包括：获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；根据所述数据量阈值和所述数据量，确定是否增加擦除深度。
可选的，接收到用户块擦除指令后，获取待擦数据块中的数据量，如果所述数据量小于所述数据量阈值，则在擦除校验通过后增加擦除深度。
可选的，通过增加至少一个擦除脉冲来增加擦除深度。
可选的，根据闪存芯片的特征确定所述数据量阈值，所述特征至少包括芯片工艺和芯片设计。
相应的，本发明实施例还提供一种固态硬盘擦除装置，其特征在于，包括：信息获取装置，用于获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；处理装置，用于根据所述数据量阈值和数据量确定是否增加擦除深度。
可选的，接收到用户块擦除指令后，获取待擦数据块中的数据量，如果所述数据量小于所述数据量阈值，则在擦除校验通过后增加擦除深度。
可选的，通过增加至少一个擦除脉冲来增加擦除深度。
可选的，根据闪存芯片的特征确定所述数据量阈值，所述特征至少包括芯片工艺、芯片设计。
相应的，本发明实施例还提供一种固态硬盘，其特征在于，至少包括闪存芯片和上述任意一项所述的固态硬盘擦除装置。
相应的，本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令使得机器执行根据上述所述中任意一项所述的固态硬盘擦除方法。
目前市场上的闪存产品主要为3D TLC，存储单元（简称cell）的阈值电压（简称Vt）对温度非常敏感，所以SSD产品对温度也表现出很高的敏感性，必须通过算法来优化SSD的擦写特性和温度特性，从而提高产品寿命以及数据可靠性。
本发明提出的固态硬盘擦除方法和装置，包括：获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；根据所述数据量阈值和所述数据量，确定是否增加擦除深度。本发明解决了固态硬盘在高温浅擦除后，低温读取失败的问题，进一步增强了高低温转换场景下的固态硬盘擦除的可靠性。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1和图2是本发明的固态硬盘擦除方法的流程图；
图3是本发明的一种闪存芯片的数据识别原理的示意图；
图4是本发明的一种闪存芯片的阈值电压分布图；
图5是本发明的一种闪存芯片的浅擦除时的阈值电压分布图；
图6是本发明的一种闪存芯片的浅擦除数据在低温下读取示意图；
图7是本发明的一种闪存芯片的浅擦除时的阈值电压分布；
图8是本发明的一种闪存芯片增加擦除深度后的示意图；
图9和10分别是固态硬盘产品1分别采用现有技术擦除后和本发明的方法增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图；
图11和12分别是固态硬盘产品2分别采用现有技术擦除后和本发明的方法增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图；
图13和14分别是固态硬盘产品3分别采用现有技术擦除后和本发明的方法增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明的固态硬盘擦除方法的流程图。固态硬盘（简称SSD）内部主要由主控芯片和多颗闪存芯片组成，其中闪存芯片是数据存储的载体，主控芯片负责管理对外接口，读写算法优化，以及闪存管理等。SSD中的闪存芯片主要为NAND闪存，具有非易失性，为断电后仍能保存数据的内存块。NAND内存有多个以位（bit）为单位的单元构成，这些位通过电荷被打开或关闭，如何组织这些开关单元来储存在SSD上的数据，也决定了NAND闪存的命名，比如单层单元（SLC）闪存在每个存储单元中包含1个位。如图1所示，步骤S101为获取闪存芯片的数据量阈值。按照一种优选的实施方式，本发明根据闪存芯片的特征确定所述数值量阈值，所述特征至少包括芯片工艺和芯片设计。图10中产品1的闪存芯片的数据量阈值是20%，图12中产品2的闪存芯片的数据量阈值是25%，图14中产品3的闪存芯片的数据量阈值是15%。优选的，所述数据量阈值为闪存芯片数据块的百分比，其设定结合芯片工艺和芯片设计，也可以参考现有技术下擦除后电压裕量与数据量相关性确定(如图9、图11、图13所示)。
步骤S102为获取待擦数据块中的数据量。按照一种优选的实施方式，在接到用户块擦除指令以后，状态机先启动数据检查，主要对待擦数据块中的数据量进行统计，所述数据量为该数据块中数据的占比值。
步骤S103为根据所述数据量阈值和所述数据量，确定是否增加擦除深度。硬盘中的闪存芯片对于温度非常敏感，在某些极端场景下，可能会出现高低温转换时数据读取错误。问题的根源在于数据擦除深度不足（浅擦除），增加擦除深度可以很好的解决由于浅擦除导致的数据出错的问题。
固态硬盘（简称SSD）内部主要由主控芯片和多颗闪存芯片组成，其中闪存芯片是数据存储的载体，主控芯片负责管理对外接口，读写算法优化，以及闪存管理等。目前市场上的闪存产品主要为3D TLC，存储单元（简称cell）的阈值电压（简称Vt）对温度非常敏感，所以SSD产品对温度也表现出很高的敏感性。
闪存通过对比存储单元的阈值电压与参考电压（简称Vref）的大小来识别数据为“0”还是“1”，如图3所示，数据“1”为擦除状态；数据“0”为编程状态。
发明人通过研究发现，闪存单元的阈值电压（Vt）受温度影响，如图4所示，当温度升高时，阈值电压（Vt）降低；当温度降低时，阈值电压（Vt）升高。基于以上这些特性，有一种场景容易导致数据失效：在高温下进行块擦除，擦除状态为浅擦除，如图5所示，阈值电压（Vt）的分布上限距离参考电压（Vref）很近；在低温下读取数据，如图6所示，阈值电压（Vt）向上漂移，部分单元超过了参考电压（Vref），数据读取出错。
发明人通过研究还发现，影响阈值电压（Vt）分布宽度的一个因素是数据量的大小，如图7所示，数据量越小，阈值电压（Vt）分布越窄，擦除校验越容易通过。进一步分析数据量与擦除后电压裕量的相关性，得到如图9所示的曲线，可以看出在数据量较小时，电压裕量小，数据量的影响较大。所述电压裕量是在确定“安全工作范围”的测试过程中得到的。在规定的输入范围确定器件的灵敏度和工作能力的参数各有不同，绝大多数器件能够定义一个安全的规格范围，保证所要求的性能和产出率。优选的，本发明涉及的闪存芯片的电压裕量为存储单元的阈值电压与参考电压的最小差值。所述电压裕量小于一定值，如电压裕量小于1V，则所述闪存芯片存在浅擦的风险，数据擦除深度不足（浅擦除），导致数据设置没有裕量，而浅擦除问题的根源则是数据块中空白数据的比例过高导致。
为了解决浅擦除问题，本发明提出了一种固态硬盘擦除方法，包括：获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；根据所述数据量阈值和所述数据量，确定是否增加擦除深度。固态硬盘（简称SSD）内部主要由主控芯片和多颗闪存芯片组成，其中闪存芯片是数据存储的载体，主控芯片负责管理对外接口，读写算法优化，以及闪存管理等。
图8是本发明的一种闪存芯片增加擦除深度后的示意图，本发明优选通过增加至少一个擦除脉冲来增加擦除深度。如图8所示，接到用户块擦除指令以后，状态机先启动数据检查，数据量小于该闪存芯片的数据量阈值，则在擦除校验通过后，再次强行增加一个擦除脉冲(pulse5)，确保擦除深度有足够的裕量。现有技术中，如果数据量大于该数据量阈值，主控芯片会自动增加擦除脉冲直至擦除校验通过。
图2是本发明的固态硬盘擦除方法的流程图，步骤S201为接收到用户擦除指令，主要通过主控芯片接收及发送相关指令，然后步骤S202启动数据量检测，主要通过主控芯片控制状态机完成，步骤S203为所述数据量小于所述数据量阈值时，步骤S204在擦除校验通过后增加擦除深度，本发明优选通过增加至少一个擦除脉冲来增加擦除深度。根据闪存芯片的特征确定所述数据量阈值，所述特征至少包括芯片工艺和芯片设计。所述擦除校验为正常状态下对闪存芯片的擦除，所述擦除校验通过为现有技术下的完成擦除动作。
图9和10分别是固态硬盘产品1分别采用现有技术擦除后和本发明的方法增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图；图11和12分别是固态硬盘产品2分别采用现有技术擦除后和本发明的方法增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图；图13和14分别是固态硬盘产品3分别采用现有技术擦除后和本发明的方法增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图。发明人通过研究图9、图11以及图13，结合芯片工艺和芯片设计，设置产品1的闪存芯片的数据量阈值为20%，产品2的闪存芯片的数据量阈值为25%，产品3的闪存芯片的数据量阈值为15%。图10、图12和图14均为增加擦除深度后的电压裕量与数据量相关性示意图，通过图10、图12 和图14，确认优化算法后的电压裕量均超过1V，可以承受住高低温变化的考验。
本发明实施例还提供一种固态硬盘，其特征在于，至少包括闪存芯片和上述所述任意一项所述的固态硬盘擦除装置。本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令使得机器执行根据以上所述中任意一项所述的固态硬盘擦除方法。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器（processor）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (6)

1.一种固态硬盘擦除方法，其特征在于，包括：
获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；
根据所述数据量阈值和所述数据量，确定是否增加擦除深度；
如果所述数据量小于所述数据量阈值，则电压裕量小于一定值，所述闪存芯片为浅擦除，则在擦除校验通过后通过增加至少一个擦除脉冲来增加擦除深度；
所述数据量阈值为闪存芯片数据块的百分比；
所述电压裕量为存储单元的阈值电压与参考电压的最小差值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
根据闪存芯片的特征确定所述数据量阈值，所述特征至少包括芯片工艺和芯片设计。
3.一种固态硬盘擦除装置，其特征在于，包括：
信息获取装置，用于获取闪存芯片的数据量阈值和待擦数据块中的数据量；
处理装置，用于根据所述数据量阈值和数据量确定是否增加擦除深度；
如果所述数据量小于所述数据量阈值，则电压裕量小于一定值，所述闪存芯片为浅擦除，则在擦除校验通过后增加至少一个擦除脉冲来增加擦除深度；
所述数据量阈值为闪存芯片数据块的百分比；
所述电压裕量为存储单元的阈值电压与参考电压的最小差值。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
根据闪存芯片的特征确定所述数据量阈值，所述特征至少包括芯片工艺、芯片设计。
5.一种固态硬盘，其特征在于，至少包括闪存芯片和权利要求3-4中任意一项所述的固态硬盘擦除装置。
6.一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令使得机器执行根据权利要求1-2中任意一项所述的固态硬盘擦除方法。
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