DE19851813A1 - System und Verfahren zum Bewerten der Abnutzung eines Flash-Speichers - Google Patents

System und Verfahren zum Bewerten der Abnutzung eines Flash-Speichers

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Abstract

Bei einem System zum Bewerten der Abnutzung einer Flash-Speicherzelle basiert ein Verfahren zum Bewerten der Abnutzung auf der Datenlöschzeitdauer eines Einheitensektors. Eine Referenzlöschzeitdauer wird durch die erforderliche Zeitdauer, bis eine Einheitenspeicherzelle in dem Einheitensektor die gespeicherten Daten unter dem Zustand der größten tragbaren Verschlechterung löscht, eingestellt. Ein Verfahren zum Bewerten der Abnutzung umfaßt die Schritte des Erfassens einer tatsächlichen Löschzeitdauer des Einheitensektors; des Vergleichens der tatsächlichen Löschzeitdauer des Einheitensektors und einer vorbestimmten Referenzlöschzeitdauer; und des Anzeigens eines weiteren verfügbaren Einheitensektors durch die physische Adresse des Einheitensektors, wenn die tatsächliche Löschzeitdauer länger als die Referenzlöschzeitdauer ist. Wenn die tatsächliche Löschzeitdauer kürzer oder gleich der Referenzlöschzeitdauer ist, wird der Einheitensektor andererseits aktiviert gehalten. Beim Überprüfen des Grads der Veschlechterung eines entsprechenden Einheitensektors liefert das System zum Bewerten der Abnutzung gemäß vorliegender Erfindung eine höhere Zuverlässigkeit.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bewertung der Abnutzung eines elektrisch löschbaren und programmierba­ ren Nur-Lese-Speichers (EEPROM; EEPROM = Electrically Eras­ able and Programmable Read Only Memory) und insbesondere auf ein System zum Bewerten der Abnutzung eines Flash-Speichers mit einer Geschwindigkeit, die bezüglich eines üblichen EEPROM höher ist, durch Löschen von Daten in einer Sektor­ einheit, deren Größe mehrere Bytes beträgt, und auf ein ver­ fahren zum Bewerten der Abnutzung.
Im allgemeinen verwendet ein Computersystem einen Langzeit­ speicher, wie z. B. eine Festplatte. Eine Festplatte ist in einem Personalcomputer usw. ein notwendiger Speicher. Eine Festplatte ist jedoch schwer, sperrig und aufgrund der mechanischen Eigenschaften von mehreren kreisförmigen Alumi­ niumscheiben, die von einem Motor angetrieben werden, und eines Armes zum Lesen/Schreiben von Daten stoßempfindlich. Folglich ist eine große Sorgfalt bei der Verwendung einer Festplatte in einem tragbaren System, wie z. B. einem Note­ book-Computer, erforderlich.
Die Verwendung eines Flash-EEPROM mit einem stabilen und großen Speicher für eine Langzeitspeicherung hat neuerdings gegenüber elektromechanischen Festplatten immer größere Ver­ breitung gefunden. Dieses Flash-EEPROM wird einfach als Flash-Speicher bezeichnet. Ein Flash-Speicher weist eine Mehrzahl von Einheitenspeicherzellen auf, die einen oder mehrere MOS-Transistor(en) verwenden, die jeweils zwei Gates, d. h. ein Floating-Gate (schwebendes Gate) und ein Steuer-Gate, aufweisen. Der Flash-Speicher weist ein Floating-Gate auf, das mit einem Oxidfilm (SiO2) überzogen ist, wobei das Floating-Gate zwischen einem Substrat und einem Steuer-Gate angeordnet ist und durch Implantieren oder Löschen elektrischer Ladungen in das Floating-Gate oder aus dem Floating-Gate zwei logische Zustände darstellt. Das heißt, daß Elektronen aus dem Substrat-zu dem Floating-Gate bewegt werden, wenn eine sehr hohe Spannung an dem Steuer- Gate angelegt ist, um ein sehr starkes elektrisches Feld zwischen dem Steuer-Gate und dem Substrat zu erzeugen. Falls zu diesem Zeitpunkt die Spannungszufuhr zu dem Steuer-Gate gestoppt wird, entweichen die elektrischen Ladungen des Floating-Gate aufgrund des Oxidfilms nicht aus dem Floating-Gate nach außen, wodurch Daten gespeichert werden.
Wenn Daten geschrieben oder gelöscht werden, wie es oben be­ schrieben ist, wird der Transistor der Speicherzelle auf­ grund der hohen Spannung, die an dem Zellentransistor ange­ legt ist, umso mehr verschlechtert, je mehr sich die Anzahl der Schreib- oder Löschvorgänge erhöht, wodurch es mißlingt, die Funktion der Datenspeicherung zufriedenstellend aus zu­ führen.
Ein Unterscheidungspunkt zwischen einem Flash-Speicher und einem gewöhnlichen EEPROM besteht darin, daß die Daten gleichzeitig in Form einer Blockeinheit gelöscht werden. Das Zellenarray des Flash-Speichers weist eine Mehrzahl von Ein­ heitensektoren auf, wobei ein Einheitensektor eine Daten­ speicherungskapazität von einigen hundert Bytes aufweist. Im Falle des Datenschreibens schreibt lediglich ein Teil der Speicherzellen in einem Einheitensektor unter bestimmten Umständen Daten. Im Falle des Datenlöschens wird anderer­ seits ein ganzer Sektor gelöscht, ungeachtet dessen, ob in einer Speicherzelle Daten gespeichert sind oder nicht. Daten werden folglich in Form einer Sektoreinheit gelöscht.
Da Einheitenspeicherzellen während des Schreib- und Lösch­ prozesses von Daten in einem Flash-Speicher verschlechtert werden, werden die Speicherzellen überprüft, um zu bestim­ men, ob die relevanten Sektoren weiterhin verwendet werden können. Dieser Prozeß wird als Bewerten der Abnutzung be­ zeichnet.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuerungseinrichtung und ein Speicherzellenarray eines im Stand der Technik be­ kannten Flash-Speichers zeigt. Das Speicherzellenarray 30 weist eine Mehrzahl von Einheitensektoren und eine Sektor­ informationstabelle auf. Die Einheitensektoren schreiben und speichern Daten, wobei die Sektorinformationstabelle die In­ formationen jedes Einheitensektor einschließlich der phy­ sischen Adresse, die der logischen Adresse entspricht, speichert.
Der Adressenumwandler 21 in der Steuerungseinrichtung 20 wandelt die logische Adresse, die in dem Host 10 erzeugt wird, in die physische Adresse um und liest daraufhin die Daten des entsprechenden Sektors. Die Steuerungseinrichtung 20 steuert die Datenschreib/Datenlöschoperationen des Speicherzellenarrays 30, das eine Mehrzahl von Einheitensek­ toren aufweist, und ordnet die entsprechende Beziehung zwischen der logischen Adresse, der physischen Adresse und dem Einheitensektor durch eine Neuabbildung des Speicherzel­ lenarrays neu an, nachdem der Grad der Verschlechterung des Einheitensektors überprüft wurde.
Die Vergleichseinrichtung der Anzahl von Löschungsvorgängen 22 ist ein weiteres Element der Steuerungseinrichtung 20. Die Vergleichseinrichtung 22 weist einen durch einen Test erhaltenen Wert als Anfangsreferenzanzahl der Löschvorgänge auf. Der Test besteht darin, die größte vertretbare Anzahl von Datenschreib- und Datenlöschvorgängen basierend auf den Betriebseigenschaften der Einheitenspeicherzelle zu erhal­ ten. Die Vergleichseinrichtung 22 vergleicht die Referenz­ anzahl der Löschvorgänge mit der Anzahl von Löschvorgängen, die in jedem Einheitensektor durchgeführt wurden, unter Ver­ wendung der Sektorinformationen des Speicherzellenarrays 30. Falls die zwei Anzahlen identisch sind, wird das Speicher­ zellenarray neuabgebildet, so daß ein weiterer neuer Sektor verwendet werden kann, da der entsprechende Einheitensektor nicht mehr verfügbar ist.
Fig. 2 zeigt einen Einheitensektor eines Speicherzellen­ arrays. Der Einheitensektor ist in einen Overhead-Bereich (übergeordneten Bereich) und einen Benutzerbereich unter­ teilt. Der Benutzerbereich ist ein einfacher Datenspeiche­ rungsbereich 32, wobei der Overhead-Bereich einen Speiche­ rungsbereich 33 für unterschiedliche Informationen und einen Speicherungsbereich für die Anzahl der Löschvorgänge 34 aufweist. Der Speicherungsbereich 33 für unterschiedliche Informationen speichert verschiedene Informationen eines Sektors einschließlich der physischen Adresse, der gültigen Bits und der angeschlagenen Bits. Der Speicherungsbereich 34 speichert die Anzahl von Löschvorgängen aus dem Sektor. Der Wert, der in diesem Speicherungsbereich 34 gespeichert ist, ist ein Wert, der mit der Referenzanzahl der Löschvorgänge in der Vergleichseinrichtung 22 verglichen werden soll.
Ein Hauptanwendungsgebiet des Flash-Speichers besteht darin, eine Alternative zu Festplatten zu bieten. Daher sollten die Alternativvorrichtungen eine große Datenspeicherkapazität aufweisen. Falls ein Flash-Speicher eine Datenspeicherungs­ kapazität von 512 Bytes und eine Gesamtdatenspeicherungska­ pazität von 2 Giga-Byte aufweist, beträgt die Anzahl seiner Einheitensektoren über 2 000 000. Falls ein Einheitensektor einen 3-Byte-Speicherungsbereich für die Anzahl der Lösch­ vorgänge aufweist, beträgt der Speicherungsbereich des gan­ zen Flash-Speichers ungefähr 6 Mega-Byte. Daher wächst auch der Overhead-Bereich des Flash-Speichers in diesem Maße an.
Wegen der nichtvollständigen Übereinstimmung jeder Einhei­ tenspeicherzelle während des Herstellungsprozesses ist es nicht möglich, daß die Einheitenspeicherzellen einheitliche Eigenschaften aufweisen, wobei eine bestimmte Speicherzelle schneller als andere Speicherzellen eine Verschlechterung zeigt, auch wenn diese beispielsweise dieselbe Anzahl von Datenlöschvorgängen aufweisen. In diesem Fall wird ein Teil der Einheitenspeicherzellen verschlechtert und versagt da­ bei, Daten zu speichern, selbst wenn die Anzahl der Lösch­ vorgänge des entsprechenden Einheitensektors nicht die größte verfügbare Anzahl von Löschvorgängen, die durch einen Test erhalten sind, erreicht. Daraus ergibt sich, daß die Datenspeicherungskapazität des gesamten entsprechenden Sek­ tors nicht zuverlässig ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu schaffen, durch das die Zuverlässigkeit und die Effizienz eines Flash-Speichers erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bewerten der Ab­ nutzung eines Flash-Speichers gemäß Anspruch 1 und 6 und durch ein System zum Bewerten der Abnutzung eines Flash­ speichers gemäß Anspruch 3 erreicht.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das System und Verfahren zum Bewerten der Abnutzung im we­ sentlichen die Probleme vermeidet, die aufgrund der Ein­ schränkungen und Nachteile des Stands der Technik auftreten.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, daß das System und Verfahren zum Bewerten der Abnutzung eines Flash-Speicherzellenarrays eine hohe Zuverlässigkeit beim Überprüfen des Grads der Verschlechterung der Einhei­ tensektoren liefert.
Um diese und weitere Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung, die dargestellt und aus­ führlich beschrieben ist, umfaßt ein System zum Bewerten der Abnutzung einen Adressenumwandler, der eine logische Adres­ se, die in einem Host erzeugt wird, in eine physische Adres­ se umwandelt; eine Erfassungseinrichtung, die die tatsäch­ liche Löschzeitdauer, bis die in einem Einheitensektor eines Flash-Speicherzellenarrays gespeicherten Daten gelöscht sind, erfaßt; und eine Vergleichseinrichtung, die die einge­ stellte Referenzlöschzeitdauer mit der tatsächlichen Lösch­ zeitdauer vergleicht, um die Abnutzung des Einheitensektors zu überprüfen.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung basiert ein Verfahren zum Bewerten der Abnutzung auf der Datenlösch­ zeitdauer eines Einheitensektors.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Bewerten der Abnutzung die Schritte des Erfassens einer Datenlöschzeitdauer eines Einheitensektors in dem Flash-Speicherzellenarray; und des Vergleichens der Datenlöschzeitdauer mit einer vorbestimmten Referenzlösch­ zeitdauer zum Überprüfen der Abnutzung des Einheitensektors.
Zusätzliche Vorteile, Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargestellt und Fach­ leuten bei der Überprüfung des Folgenden offensichtlich werden, oder können aus der Ausführung der Erfindung erlernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können realisiert und erreicht werden, wie es insbesondere in den angefügten Ansprüchen ausgeführt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine bekannte Flash-Spei­ cherzelle darstellt.
Fig. 2 einen Einheitensektor in dem Flash-Speicherzellen­ array von Fig. 1.
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das eine Flash-Speicherzelle ge­ mäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 4 einen Einheitensektor in dem Flash-Speicherzellen­ array von Fig. 3.
Es wird nun detailliert auf die bevorzugten Ausführungsbei­ spiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die bei­ spielhaft in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuerungseinrichtung und ein Speicherzellenarray des Flash-Speichers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Speicherzellenarray 130 weist eine Mehrzahl von Einheitensektoren, in denen Daten geschrieben und gespeichert werden, und eine Sektorinforma­ tionstabelle auf, in der Informationen jedes Einheitensek­ tors, wie z. B. eine physische Adresse, die einer logischen Adresse entspricht, usw. gespeichert werden.
Der Adressenumwandler 121 in der Steuerungseinrichtung wan­ delt die logische Adresse, die in dem Host 110 erzeugt wird, in die physische Adresse um, und liest daraufhin die in dem Sektor gespeicherten Daten entsprechend der relevanten physischen Adresse. Die Steuerungseinrichtung 120 steuert die Datenschreib/Datenlöschoperationen des Speicherzellen­ array, das eine Mehrzahl von Einheitensektoren aufweist, und ordnet die entsprechende Beziehung zwischen der logischen Adresse, physischen Adresse und dem Einheitensektor durch eine Neuabbildung des Speicherzellenarray neu an, nachdem der Grad der Verschlechterung jedes Einheitensektors über­ prüft wurde.
Ein weiteres Element der Steuerungseinrichtung 120 ist die Erfassungseinrichtung der Löschzeitdauer 122. Die Er­ fassungseinrichtung 122 erfaßt die Zeitdauer, bis die Daten, die in dem Einheitensektor in dem Speicherzellenarray 130 gespeichert sind, gelöscht sind. Die Datenlöschzeitdauer ist proportional zu dem Grad der Verschlechterung der Speicher­ zelle des EEPROMs. Daher prüft die Steuerungseinrichtung des Speicherzellenarrays gemäß der vorliegenden Erfindung die Datenlöschzeitdauer der am stärksten verschlechterten Speicherzelle.
Die Vergleichseinrichtung der Löschzeitdauer 123 weist einen durch einen Test erhaltenen Wert als Anfangsreferenzlösch­ zeitdauer auf, wobei der Test darin besteht, die Datenlösch­ zeitdauer basierend auf den Eigenschaften der Einheiten­ speicherzelle unter dem Zustand der größten vertretbaren Verschlechterung des Einheitensektors, bei dem Daten ge­ speichert werden könnten, zu erhalten. Die Vergleichsein­ richtung 123 vergleicht die Referenzlöschzeitdauer mit der tatsächlichen Löschzeitdauer, die durch die Löschzeitdau­ ererfasssungseinrichtung 122 erfaßt wird. Falls die tatsäch­ liche Löschzeitdauer länger als die Referenzlöschzeitdauer ist, wird das Speicherzellenarray 130 neuabgebildet, so daß die physische Adresse des Einheitensektors einen anderen Einheitensektor anzeigt. Falls die tatsächliche Löschzeit­ dauer kürzer oder gleich der Referenzlöschzeitdauer ist, wird der Sektor andererseits freigegeben, wobei der ent­ sprechende Einheitensektor weiterhin verwendet wird.
Fig. 4 zeigt einen Einheitensektor des Flash-Speicherzellen­ arrays gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem in dem Stand der Technik bekannten Einheitensektor, der in Fig. 2 gezeigt ist, weist der Overhead-Bereich in Fig. 4 keinen Speicherungsbereich für die Anzahl der Löschvorgänge auf. Bei dem System zum Bewerten der Abnutzung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, die Anzahl der Datenlöschvorgänge getrennt zu speichern. Der Grund be­ steht darin, daß der Grad der Verschlechterung des Sektors durch Erfassen der Datenlöschzeitdauer überprüft wird.
Unter Verwendung dieses Systems zum Bewerten der Abnutzung kann der Grad der Verschlechterung der Einheitensektoren genau überprüft werden. Die Datenlöschzeitdauer des Einhei­ tensektors ist die Zeitdauer, bis Daten, die in jeder Ein­ heitenspeicherzelle gespeichert sind, gelöscht sind. Falls die Datenlöschzeitdauer einer bestimmten Speicherzelle län­ ger als die von anderen Speicherzellen ist, wird daher die Datenlöschzeitdauer des gesamten Einheitensektors länger. Falls die Datenlöschzeitdauer des Einheitensektors über der durch einen Test erhaltenen Grenze liegt, ist der Sektor nicht mehr zuverlässig.
Während die in dem Stand der Technik bekannte Bewertung der Abnutzung auf der Anzahl der Löschvorgänge des gesamten Ein­ heitensektors ungeachtet des Grads der Verschlechterung je­ der Speicherzelle basiert, wird die Bewertung der Abnutzung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Speicherzelle unter dem schlechtesten, gerade noch vertret­ baren Zustand als Ziel ausgeführt, wodurch eine höhere Zu­ verlässigkeit geliefert wird.
Die vorliegende Erfindung liefert folglich ein System und Verfahren zum Bewerten der Abnutzung eines Flash-Speicher­ zellenarrays, das eine beträchtlich hohe Zuverlässigkeit beim Überprüfen des Grads der Verschlechterung des ent­ sprechenden Einheitensektors aufweist, ohne daß ein getrenn­ ter Speicherungsbereich zum Speichern des Grads der Ver­ schlechterung des Einheitensektors vorgesehen ist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bewerten der Abnutzung einer Flash- Speicherzelle, die zumindest einen Einheitensektor aufweist, mit folgenden Schritten:
Erfassen einer Datenlöschzeitdauer des Einheitensek­ tors; und
Bewerten der Abnutzung der Flash-Speicherzelle basie­ rend auf der erfaßten Datenlöschzeitdauer.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem eine Referenz­ löschzeitdauer mit einer tatsächlichen Löschzeitdauer verglichen wird, worauf eine physische Adresse des Einheitensektors erzeugt wird, um einen weiteren ver­ fügbaren Einheitensektor anzuzeigen, wenn die tat­ sächliche Löschzeitdauer länger als die Referenzlösch­ zeitdauer ist, oder der Einheitensektor aktiviert wird, um Daten zu speichern, wenn die tatsächliche Löschzeitdauer kürzer oder gleich der Referenzlösch­ zeitdauer ist, wobei die Referenzlöschzeitdauer durch eine Zeitdauer, bis eine Einheitenspeicherzelle in dem Einheitensektor Daten unter dem Zustand der größten tragbaren Verschlechterung löscht, voreingestellt ist, und wobei die tatsächliche Löschzeitdauer durch Er­ fassen einer Zeitdauer, bis die Einheitenspeicherzelle die gespeicherten Daten löscht, eingestellt ist.
3. System zum Bewerten der Abnutzung eines Flash- Speicherzellenarray (130), mit
einem Adressenumwandler (121), der eine logische Adresse, die in einem Host (110) erzeugt wird, in eine physische Adresse umwandelt;
einer Erfassungseinrichtung (122), die die tatsäch­ liche Löschzeitdauer, bis die in einem Einheitensektor des Flash-Speicherzellenarray (130) gespeicherten Da­ ten gelöscht sind, erfaßt; und
einer Vergleichseinrichtung (123), die eine voreinge­ stellte Referenzlöschzeitdauer mit der tatsächlichen Löschzeitdauer vergleicht, um die Abnutzung des Ein­ heitensektors zu überprüfen.
4. System gemäß Anspruch 3, bei dem die Referenzlösch­ zeitdauer durch die Zeitdauer, die erforderlich ist, bis eine Einheitenspeicherzelle in dem Einheitensektor die gespeicherten Daten unter dem Zustand der größten tragbaren Verschlechterung löscht, eingestellt ist.
5. System gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die physische Adresse des Einheitensektors anzeigt, daß ein anderer Einheitensektor zu verwenden ist, wenn die tatsäch­ liche Löschzeitdauer länger als die Referenzlösch­ zeitdauer ist, oder der Einheitensektor aktiviert gehalten wird, wenn die tatsächliche Löschzeitdauer kürzer oder gleich der Referenzlöschzeitdauer ist.
6. Verfahren zum Bewerten der Abnutzung eines Flash- Speicherzellenarray (130), das zumindest einen Ein­ heitensektor aufweist, mit folgenden Schritten:
Erfassen einer Datenlöschzeitdauer eines Einheiten­ sektors in dem Flash-Speicherzellenarray (130); und
Vergleichen der Datenlöschzeitdauer mit einer vor­ bestimmten Referenzlöschzeitdauer zum Überprüfen der Abnutzung des Einheitensektors.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Verfahren zum Bewerten der Abnutzung folgende Schritte aufweist:
Umwandeln einer logischen Adresse, die in einem Host (110) erzeugt wird, in eine physische Adresse zum Lö­ schen der Daten, die in dem entsprechenden Einheiten­ sektor gespeichert wird;
Erfassen einer tatsächlichen Löschzeitdauer des Ein­ heitensektors zum vergleichen der tatsächlichen Lösch­ zeitdauer mit einer vorbestimmten Referenzlöschzeit­ dauer; und
Anzeigen eines weiteren verfügbaren Einheitensektors durch die physische Adresse des Einheitensektors, wenn die tatsächliche Löschzeitdauer länger als die Refe­ renzlöschzeitdauer ist, oder Beibehalten der Aktivie­ rung des Einheitensektors, wenn die tatsächliche Löschzeitdauer kürzer oder gleich der Referenzlösch­ zeitdauer ist.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Referenzlösch­ zeitdauer durch die erforderliche Zeitdauer, bis eine Einheitenspeicherzelle in dem Einheitensektor die ge­ speicherten Daten unter dem Zustand der größten trag­ baren Verschlechterung löscht, eingestellt wird.
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