CN113314184B - 一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法 - Google Patents

一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于闪存存储信道噪声频谱特征的可靠性评估及失效预警方法，所述方法对被监测闪存进行连续读操作，读取原始误码率数据；将测试数据进行时域频域转换，获取闪存信道噪声频谱特征；判断闪存信道噪声频谱特征的功率谱密度是否超过阈值；本发明能够迅速获取当前存储信道的噪声数据，能够利用噪声频谱特征对闪存当前数据可靠性进行评估及失效预警；不仅可以在不影响闪存正常工作的前提下实现全时段的内部数据可靠性监测并及时做出失效预警，还可以利用噪声频率熵函数计算阈值电压重叠区域的存储比特可靠度，对闪存存储比特LLR表进行动态更新。

Description

一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预 警方法
技术领域
本发明属于固态存储领域，具体地涉及一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法。
背景技术
固态硬盘(Solid State Drives，SSDs)具有读写速度快、功耗低、抗震性强等优点，SSDs的优良特性使其逐渐取代传统的机械式旋转磁盘，目前已经广泛应用于嵌入式和消费电子等移动存储设备领域。然而与机械存储设备不同，固态存储设备损坏偶然性高，数据一旦丢失则难以恢复，因此对闪存设备进行工作状态监测及异常状态预警具有重要意义。目前主流的方法是对闪存P/E周期数进行限制，但是不同闪存块可靠性存在差异，P/E耐受性也差别很大。当闪存控制器对P/E周期数严格限制时会造成存储资源浪费，但放宽P/E周期数限制又会因闪存失效导致数据丢失。
目前的固态存储器主要以NAND Flash作为存储核心，在使用过程中受编程/擦除(Program/Erase，P/E)磨损等因素影响存在较大的偶然失效风险。
发明内容
本发明提出了一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法，实现闪存寿命全阶段的可靠性评估及数据失效预警，明显提高NAND Flash存储过程的可靠性，是一种全新的闪存可靠性无损检测方法。
本发明是通过以下方案实现的：
一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法，
所述方法包括以下步骤：
步骤一、开始运行，对被监测闪存进行连续读操作，读取原始误码率数据，所述原始误码率数据为噪声数据；
步骤二、将测试数据进行时域频域转换，获取闪存信道噪声频谱特征；
步骤三、判断闪存信道噪声频谱特征的功率谱密度是否超过阈值；
当功率谱密度未超过阈值时，进行延迟实时监测，并重复步骤一至步骤二；
当功率谱密度超过阈值时，进行主动失效预警，并结束运行。
进一步地，在步骤一中，
所述续读操作的频率受闪存读操作时间限制，通过改变读参考电压和闪存页类型能够实现对特殊数据类型的测试。
进一步地，在步骤二中，
使用默认读参考电压对闪存以400Hz频率进行连续读操作，将获取短时间内误码率变化曲线作为原始信号数据，通过快速傅里叶变换将时间域下的信号转换为频域信号，对数据进行频谱分析；
使用快速傅里叶变换找出给定的信号频率和能量大小之间的关系，转换公式为：
Figure BDA0003096889210000021
其中，x(t)为时间域下的信号，X(t)为快速傅里叶变换结果，ft为需要分析的频率。
进一步地，在步骤三中，
将闪存的数据失效阈值设置为原始误码率3％。
进一步地，所述方法还包括步骤四，
步骤四、对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新：
通过闪存阈值电压的熵值函数，计算相邻阈值电压分布间的重叠区，来确定闪存存储比特的可靠度，对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新；
所述闪存阈值电压的熵值函数H(Vth)为：
Figure BDA0003096889210000022
其中，Vth为闪存阈值电压，
Figure BDA0003096889210000023
为胞元写入状态为i的概率；
关联熵值函数与信道噪声频谱，获得噪声频率与阈值电压重叠面积的关系模型，以此对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新。
本发明有益效果
(1)本发明的闪存可靠性评估方法适用于闪存编程前后及驻留期间的全时段；
(2)本发明的闪存可靠性评估方法基于闪存读操作获取内部存储信道的噪声频谱特征，数据获取手段简单、快速，不对存储设备自身可靠性及工作产生影响；
(3)本发明点闪存可靠性评估方法数据监测灵敏，可以实现对闪存数据失效的提前预警。
附图说明
图1为本发明基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法工作流程图；
图2为本发明随机电报噪声产生过程示意图；
图3为200次P/E后闪存噪声频谱分析图；
图4为2400次P/E后闪存噪声频谱分析图；
图5为P/E次数-阈值电压噪声平均功率谱密度、原始误码率关系曲线。
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做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。
一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法，主要分为噪声评估原理和噪声数据分析两部分
所述方法包括以下步骤：
步骤一，开始运行，对被监测闪存进行连续读操作，读取原始误码率数据，所述原始误码率数据为噪声数据；
步骤二，将测试数据进行时域频域转换，获取闪存信道噪声频谱特征；
步骤三，判断闪存信道噪声频谱特征的功率谱密度是否超过阈值；
当功率谱密度未超过阈值时，进行延迟实时监测，并重复步骤一至步骤二；
当功率谱密度超过阈值时，进行主动失效预警，并结束运行。
闪存存储信道噪声来源及实现可靠性评估原理：
闪存作为典型的半导体存储器件，其内部信号噪声深切影响着数据存储可靠性。目前，由P/E磨损和晶体管之间的相互干扰所引发的随机电报噪声、数据保持噪声和胞间干扰噪声被认为是影响闪存可靠性的主要噪声来源。其中随机电报噪声是晶体管中重要的动态变化源之一，是闪存存储信道噪声的主要来源，图2给出了闪存随机电报噪声产生机理。
图2中，隧穿氧化层中的陷阱可以俘获在沟道中由浮栅层向基底定向移动的电子。在陷阱获得电子后，由于外界的扰动陷阱也可以进一步释放电子。陷阱俘获与发射电子这一过程会对迁移率造成重要的影响，进而导致浮栅层电流离散。具体表现为当陷阱俘获电子时，胞元阈值电压下降；陷阱释放电子时，胞元阈值电压上升。随着界面陷阱密度的上升，上述电荷行为会更加频繁又因为闪存P/E磨损是产生界面陷阱最主要因素，因此随机电报信号噪声可以表征闪存胞元可靠性状态，能敏感地反映浮栅晶体管中的边界陷阱，为探测固态存储器中存在缺陷的存储单元提供了有效的手段。
在步骤一中，
所述续读操作的频率受闪存读操作时间限制，通过改变读参考电压和闪存页类型能够实现对特殊数据类型的测试。
通过改变读参考电压和闪存页类型可以实现对特殊数据类型的测试。以下为测试实例：
在步骤二中，
使用默认读参考电压对闪存以400Hz频率进行连续读操作，将获取短时间内误码率变化曲线作为原始信号数据，通过快速傅里叶变换将时间域下的信号转换为频域信号，对数据进行频谱分析；
使用快速傅里叶变换找出给定的信号频率和能量大小之间的关系，转换公式为：
Figure BDA0003096889210000041
其中，x(t)为时间域下的信号，X(t)为快速傅里叶变换结果，ft为需要分析的频率。
图3为低磨损(P/E周期数为200)闪存实测频谱分析曲线，展示了闪存阈值电压噪声频率分布。
当闪存经过高强度P/E磨损，随着隧道氧化层电荷逐渐陷阱信道噪声频率同时发生显著改变。
图4为经过2400次P/E磨损后的平均功率谱密度-频率曲线，当P/E周期增加时，整体功率谱密度显著增加。
在步骤三中，
当闪存P/E周期超过标定耐受值后，其原始误码率往往在编程后短时间内会迅速增长至远超ECC纠错限度的程度，导致数据失效无法恢复，当闪存原始误码率超过3％时，主流纠错算法就很难完成纠错，所以一般将数据失效阈值设置为原始误码率3％以内。
将闪存的数据失效阈值设置为原始误码率3％，当闪存失效前平均功率谱密度快速增加，且功率谱密度的增加拐点早于原始误码率的增加拐点。
根据图5，闪存阈值电压噪声频谱特征会在P/E周期数达到闪存耐受极限前显著增加，因此我们可以通过对闪存信道噪声实时监测来实现可靠性评估和失效预警。
所述方法还包括步骤四，
步骤四、对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新：
此外，闪存噪声频谱特征不仅可以对闪存进行可靠性分析，通过闪存阈值电压的熵值函数，计算相邻阈值电压分布间的重叠区，来确定闪存存储比特的可靠度，对闪存存储比特对数似然表(Log Likelihood Ratio，LLR)的值进行动态更新；
所述闪存阈值电压的熵值函数H(Vth)为：
Figure BDA0003096889210000051
其中，Vth为闪存阈值电压，
Figure BDA0003096889210000052
为胞元写入状态为i的概率；
关联熵值函数与信道噪声频谱，获得噪声频率与阈值电压重叠面积的关系模型，以此对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新。
以上对本发明所提出的一种基于闪存存储信道噪声频谱特征的可靠性评估及失效预警方法，进行了详细介绍，本文中应用了数值模拟算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于存储信道噪声频谱特征的闪存可靠性评估及失效预警方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤一、开始运行，对被监测闪存进行连续读操作，读取原始误码率数据，所述原始误码率数据为噪声数据；
步骤二、将测试数据进行时域频域转换，获取闪存信道噪声频谱特征；
步骤三、判断闪存信道噪声频谱特征的功率谱密度是否超过阈值；
当功率谱密度未超过阈值时，进行延迟实时监测，并重复步骤一至步骤二；
当功率谱密度超过阈值时，进行主动失效预警，并结束运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一中，
所述对被监测闪存进行连续读操作的频率受闪存读操作时间限制，通过改变读参考电压和闪存页类型能够实现对特殊数据类型的测试。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中，
使用默认读参考电压对闪存以400Hz频率进行连续读操作，将获取短时间内误码率变化曲线作为原始信号数据，通过快速傅里叶变换将时间域下的信号转换为频域信号，对数据进行频谱分析；
使用快速傅里叶变换找出给定的信号频率和能量大小之间的关系，转换公式为：
Figure FDA0003459428620000011
其中，x(t)为时间域下的信号，X(f)为快速傅里叶变换结果，ft为需要分析的频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，
将闪存的数据失效阈值设置为原始误码率3％。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述方法还包括步骤四，
步骤四、对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新：
利用闪存噪声频谱特征，通过闪存阈值电压的熵值函数，计算相邻阈值电压分布间的重叠区，来确定闪存存储比特的可靠度；
所述闪存阈值电压的熵值函数H(Vth)为：
Figure FDA0003459428620000012
其中，Vth为闪存阈值电压，
Figure FDA0003459428620000013
为胞元写入状态为i的概率；
关联熵值函数与信道噪声频谱，获得噪声频率与阈值电压重叠面积的关系模型，以此对闪存存储比特对数似然表的值进行动态更新。
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