JP2001229073A

JP2001229073A - フラッシュメモリ

Info

Publication number: JP2001229073A
Application number: JP2000043530A
Authority: JP
Inventors: Isao Furukawa; 勲古川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】フラッシュメモリに関し、寿命に関わる動作で
ある消去の回数を出来る限り減らし、フラッシュメモリ
の寿命を延ばす手段を提供することにある。【解決手段】上書き可能かどうかを判断し、可能ならば
消去せずに上書きする。また、上書きできる確率を高め
るために、ガーベジコレクションテーブルとアドレス変
換テーブルを用意し、ガーベジコレクションされたメモ
リブロックから上書き可能なブロックを探すようにす
る。【効果】フラッシュメモリの消去回数が確率的に減り、
また、消去回数を平均化することにより、フラッシュメ
モリの寿命が延びる。また、消去せずに済む分、書き込
み速度が速くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】フラッシュメモリは、不揮発
性であり、なおかつ電気的に消去可能なメモリとして広
く一般に知られている。また、半導体メモリとしての特
徴を持つため、対衝撃性に優れ、環境条件にも強く、高
速読み出しが可能である。これらの特徴により、広くコ
ンピュータや応用製品などに使われている。最近の例と
してはボイスレコーダがある。SONYのICレコーダ、ICD
−５５は、６４分の音声が録音できる携帯用録音機であ
り、これにはフラッシュメモリが使われている。

【０００２】また、フラッシュメモリには寿命があるこ
とが一般に知られている。これは、書き込まれた情報を
消去する際に素子が劣化するためであり、その寿命は数
万回程度である。また、消去のための回路規模は小さく
はないため、一般的にはフラッシュメモリの消去は、メ
モリアドレス毎では無く、適当なブロック毎に行なわれ
る。このような構成にする他の理由としては、寿命の問
題の他、書き込み速度が読み出し速度に対して非常に遅
い、等がある。

【０００３】これらのフラッシュメモリの特徴から、従
来の製品では、主に二種類の用途が想定されている。一
つはPDAのバックアップ等、頻繁に書き込むことの少な
いデータの保管用である。代表的な例として、シャープ
のザウルスシリーズが挙げられる。もう一つはマルチメ
ディアデータの記憶であり、音声や画像、動画などのマ
ルチメディアデータはその容量が大きいため、書きこみ
や消去が一括に行なわれる可能性が高く、また頻度も確
率的に低いため、アドレスブロック毎に消去関数のカウ
ントをする必要が無いなど、寿命の細かい心配が少な
い。この例としては、先ほど挙げたSONYのICレコーダの
ほか、携帯用MP３プレーヤが挙げられる。

【０００４】これは、CDやMDのプレーヤと同様に携帯し
て音楽を聴くもので、媒体としてMDなどの代わりにフラ
ッシュメモリを使うものである。Creative Media社を始
め数社から販売されている。

【０００５】近年ではフラッシュメモリの大容量化によ
り、データロガーとしての用途も有望視されている。デ
ータロガーとは、時間系列で起こる様々な情報の変化を
記録するもので、定点気象観測や過渡現象解析などに良
く使われる。この用途では、時系列でデータを書き込む
ことがあらかじめ分かっているので、メモリの寿命の予
測がしやすいことがフラッシュメモリの欠点をカバーし
ている。

【０００６】本発明は、フラッシュメモリを想定し、書
きこみや消去の方法に工夫を加えることにより、従来に
無い特徴を付加するものである。

【０００７】

【従来の技術】以上のように、フラッシュメモリを扱う
際、寿命の問題は重要である。寿命が無視できるほど長
くは無いが、使えないほど短くも無いため、従来では寿
命を管理しつつ使用するというやり方で使われてきた。

【０００８】従来の技術では、寿命を延ばすための工夫
としては、素材やプロセスの改良といった物理的な改良
が主であったが、これはブレークスルーが無い限り画期
的には進歩しないものである。また、寿命予測として、
書き込み回数や消去回数をカウントして警告を出すとい
うシステムも提案されているが、これは積極的に寿命を
延ばすものでは無く、寿命に来たメモリを排除するため
の手段として消極的な用途で提供されているものであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来技術の欠点を解決し、フラッシュメモリにおける、
容易に実現可能な長寿命化方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、フラッシュメモリの書き込み方法に工夫を加える。

【００１１】これには、フラッシュメモリには、消去は
寿命に影響するが、書き込みは寿命に影響しないという
特徴を利用する。尚、以下の説明では、フラッシュメモ
リの物理的な素子が二値素子であることを前提とする。
多値素子については別に述べる。

【００１２】フラッシュメモリでは、任意のビットにお
いて、１だったデータを消去せずに０を書き込むことは
不可能であるが、０であったデータを消去せずに１にす
ることは可能であるばかりか、寿命にも影響を与えな
い。また、１であったデータに１を、０だったデータに
０を、各々上書きすることも問題無い。

【００１３】これは、フラッシュメモリの原理に起因す
る。フラッシュメモリの記憶の原理は、FET(電界効果ト
ランジスタ)におけるゲート電位である。ここでは、FET
のゲートに何も電位が無い場合は０、書き込みにより静
電気が溜まった状態が１と定義する。一度溜めてしまっ
た静電気を逃がすには消去動作が必要であるが、溜まっ
た状態のゲートに再度静電気を注入しても、飽和してい
るため何も状態が変化しない。これが、「１」だったデー
タに「１」を書き込む動作に相当する。「０」を書き込むと
いうことは、静電気を注入しないこと、即ち「何もしな
い」のと等価であるため、元々「１」だった所に「０」を書
き込んでも「何もしない」ため、静電気は溜まったままで
あり、「１」になる。一方、「０」だったデータに「０」を書
き込むことは、やはり「何もしない」のと等価なため、
「０」に留まる。「０」だったデータに「１」を書き込む
ことは、通常の書き込み動作であり、静電気を注入する
ため、「１」になる。即ち、「０」だったデータに対して
は「０」「１」の何れも書き込むことが可能であるが、「１」
だったデータに対しては「１」しか書き込むことが出来な
い。

【００１４】これにより、以下のような動作が可能であ
る。あるアドレスにおいて、そのデータが二進数表記で
「００１０１１０１」であったとする。従来の考え方で
は、これにデータを書き込む際にはいったん消去する必
要があるが、この考えを応用すると、書くデータによっ
ては消去せずに書き込むことは可能である。例えば「０
０１１１１０１」は消去せずに書き込み可能である。な
ぜなら、このデータは古いデータに対して左から４番目
のビットが違っているだけであり、しかもその違いは、
古いデータが「０」であるのに対し、新しいデータが「１」
であるからである。

【００１５】勿論、そのデータが例えば「００００１１
０１」だった場合には上書きすることは出来ず、消去の
必要がある。

【００１６】従って、データを書き込む際、むやみに消
去せず、まず書きこめるかどうかを判断し、駄目であれ
ば消去し、可能であればそのまま上書きするようにすれ
ば、確率統計的にフラッシュメモリの寿命は延びること
になる。

【００１７】この際、フラッシュメモリの書き込み速度
は読み出し速度に対して大幅に遅いため、従来に対して
増える手順である所の読み出しと比較の時間は、書きこ
みの時間によって相殺され、殆ど影響を与えない。

【００１８】しかし、フラッシュメモリでは消去はアド
レス単位では無くブロック単位になるため、そのままこ
の方法を採用すると、上書きできる確率が極めて低くな
ってしまう。この確率を上げるため、ガーベジコレクシ
ョンテーブルの概念を導入する。

【００１９】フラッシュメモリに対し、ガーベジコレク
ションテーブルを用意する。ガーベジコレクションテー
ブルには、使用済み(再書き込み可能)、ないしは未使用
のメモリブロックの一覧が記述されている。また、アド
レス変換テーブルも用意される。これは、物理ブロック
と論理ブロックの変換を行うものである。

【００２０】システムの初期状態では、全てのメモリブ
ロックはガーベジコレクションテーブルに登録されてい
る。システムがメモリを開放するとき、開放されたメモ
リブロックはガーベジコレクションテーブルに登録され
る。このとき、そのブロックは未だ消去されない。

【００２１】システムがメモリ書きこみを要求すると
き、ガーベジコレクションテーブルから所望のアルゴリ
ズムにより所望のメモリブロックが抜き出され、書き込
まれる。

【００２２】そのブロックはアドレス変換テーブルに登
録される。

【００２３】まず、要求される書き込みのデータを入手
する。そして、ガーベジコレクションテーブルの中にあ
るメモリブロックの中で、上書き可能なメモリブロック
を検索する。検索の結果選び出された複数のメモリブロ
ックの中から所望のアルゴリズムにより一つを選び出
し、消去せずに上書きする。もし検索の結果、一つも候
補が挙がらなかった場合は、別の所望のアルゴリズムに
より一つのメモリブロックを選び出し、消去の上書き込
む。

【００２４】以上のような動作により、書き込むデータ
に合致するメモリブロックを、多くのメモリブロックの
中から探すことが出来るようになる。メモリの大きさに
より、ガーベジコレクションテーブルの導入とメモリブ
ロックのサイズを調節することにより、フラッシュメモ
リのブロック消去回数を所望する数値に確率統計的に減
らすことが出来る。

【００２５】メモリ素子が多値素子であった場合も同様
の考え方の応用で出来る。例えば４値素子の場合、「０
０」、「０１」、「１０」、「１１」の状態が存在するが、こ
れは一つの素子が２ビットの情報を持っているというわ
けではなく、一つの素子のアナログ的な状態を４段階に
コンパレータで比較しているだけである。従って、２値
素子では出来なかった、「１０」から「０１」への書き込み
も可能である。但し、２値素子の場合と異なり、素子の
以前の状態によって、実際に書き込む値を変える必要が
ある場合がある。例えば、「０１」であった素子に「１
０」を書き込む際には、既に素子には「０１」のポテン
シャルが存在するので、そのまま「１０」を書き込むと
「０１」＋「１０」＝「１１」になってしまう。このた
め、新しく書き込む値から以前の状態を差し引いて書き
込む。この場合では、「１０」−「０１」＝「０１」を
実際に書き込む値とする。こうすることにより、２値素
子と同じように扱うことが出来る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１に
より説明する。

【００２７】システム５は、フラッシュメモリ１とＲＡ
Ｍ４を内蔵する。フラッシュメモリ１の内部は、本来の
記憶領域であるメモリブロック１１〜４４、及びガーベ
ジコレクションテーブル２とアドレス変換テーブル３を
内蔵する。各々のメモリブロック１１〜４４及びガーベ
ジコレクションテーブル２、アドレス変換テーブル３
は、フラッシュメモリのメモリブロックであるので、各
々独立して消去・書き込みが可能である。

【００２８】ガーベジコレクションテーブル２とアドレ
ス変換テーブル３は、電源オフ時にはフラッシュメモリ
１に格納されているが、電源オン時にはシステム５に内
蔵されるＲＡＭ４の一部に転写され、ワークはここで行
なわれる。電源オフのときには改めてＲＡＭ４の一部か
らメモリ１に格納される。これは、ガーベジコレクショ
ンテーブル２及びアドレス変換テーブル３は頻繁に書き
換えられるので、フラッシュメモリ１の通常セルと同じ
扱いにすると寿命のボトルネックになってしまうための
措置である。

【００２９】ガーベジコレクションテーブル２に登録さ
れているアドレスブロックの中から所望のアドレスブロ
ックを得るための具体的なアルゴリズムについて考察す
る。

【００３０】このアルゴリズムは、大きく三つのブロッ
クに分かれる。一つ目は、ガーベジコレクションテーブ
ルの中から書き換え可能なブロックの候補を選出するア
ルゴリズムであり、二つ目は、それらの候補の中から一
つを選び出すアルゴリズム、三つ目は候補が無かったと
きに強制的に選び出すアルゴリズムである。

【００３１】最初の、ガーベジコレクションテーブルの
中から書き換え可能なブロックの候補を選出するアルゴ
リズムについて、その一例として図２を示す。

【００３２】ガーベジコレクションテーブルの最初のブ
ロックから最後のブロックにわたり、次のアルゴリズム
を実行する。

【００３３】書き込むべきデータの「０」のビット位置に
注目し、対象ブロックのデータの同じ位置にあるビット
が「０」であるかどうかを確認する。これを全ての「０」ビ
ット位置について行う。もし一つでも「１」のビットがあ
れば、そのブロックは候補から外される。全てが一致す
れば、そのブロックは候補となる。

【００３４】もし、一つでも候補ブロックが見つかった
ら、アルゴリズムは終了する。

【００３５】以上のアルゴリズムは最も簡単なアルゴリ
ズムであり、候補は一つないしはゼロとなる。このた
め、複数の候補の中から一つを選び出すアルゴリズムは
不要である。

【００３６】次に、候補が無かったときに強制的に選び
出すアルゴリズムの一例を図３に示す。

【００３７】ガーベジコレクションテーブルの最初のブ
ロックを選ぶものとする。

【００３８】以上の二つのアルゴリズムによるものが、
最も簡単な抽出アルゴリズムである。

【００３９】これらのアルゴリズムは単純であるが、長
寿命化のためには若干足りない部分があるため、以下の
ように工夫の一例を示す。

【００４０】まず、候補を探すアルゴリズムについて、
一つでも見つかれば中断するのでは無く、全て探してお
く。これを図４に示す。

【００４１】この中から、該当するメモリブロックの現
在の状態における「１」の数を数え、最も「１」の数が多い
ものを選び出す。それが複数ある場合には、最初のもの
を一つ選び出す。

【００４２】「１」の数を数えるのは、書き換えの際、な
るべく「０」から「１」に書き換わる数を減らし、次回以降
の書き換えに対して可能性を残すためである。

【００４３】候補が無い場合のアルゴリズムについて
も、同じように考え、「１」の数を数え、最も「１」の数が
多いものを選び出す。それが複数ある場合には、最初の
ものを一つ選び出す。以上を図５に示す。

【００４４】次に、本発明における各ブロックの物理的
構成について考察する。アドレス変換テーブル及びガー
ベジコレクションテーブルは、フラッシュメモリの何処
かが書きかえられるたびに更新されるため、最も更新度
が頻繁になる。そのため、このデータを同じフラッシュ
メモリのセルに記憶し、そこでワークもすると、その部
分の消去がメモリ全体のボトルネックとなってしまう。
従って、この部分は、保存用としては内部に持つにして
も、ワーク用としてはＲＡＭ領域にとり込み、実際の作
業はＲＡＭ部分で行うべきである。このＲＡＭは、メモ
リを使う外部システムに持っても良いし、メモリチップ
の別ブロックに持っても良い。また、データの比較をす
るための比較装置やアルゴリズムも、メモリを使う外部
システム、及びメモリチップの別ブロック何れにあって
も良いが、アルゴリズム自体は単純なこと、またフラッ
シュメモリにはそもそも消去コントロールのためのコン
トローラが内蔵されていることにより、一般的にはこれ
を拡張して使うのが効率が良いと思われる。これによ
り、本発明の機能を持つ新しいメモリチップの製品化も
あり得るし、従来のメモリチップ、ＰＣＭＣＩＡカー
ド、コンパクトフラッシュ、スマートメディア、メモリ
スティックなどのフラッシュメモリ応用外部記憶装置と
ソフトウェアの組み合わせ、という形態もあり得る。こ
れらは何れも本発明の範疇に入る。

【００４５】次に、具体的な数値について検証する。ま
ず、ある１ビットのデータを上書きできる確率は、書き
込むビットが「１」である場合は常に書き込み可能であ
り、「０」である場合は書き込まれるビットが「０」である
場合のみ書き込める。従って、数１のような計算式とな
り、７５％となる。次に、１バイトのデータを上書きで
きる確率は、ビット毎に数１の式が適用できるので、数
２のような計算式となり、約１０％となる。これらよ
り、一つのサイズがnバイトのブロックで構成されるフ
ラッシュメモリにおいて、ガーベジコレクションテーブ
ルに入っているブロックがm個であるとき、所望する１
ブロック分のデータを書き込む際、ガーベジコレクショ
ンテーブルの中に上書き可能なブロックがある確率は、
数３のような計算式となる。これより、全体的なブロッ
クの個数よりも、１ブロックの大きさのほうが効くこと
が分かる。

【００４６】

【数１】

【００４７】

【数２】

【００４８】

【数３】

【００４９】この確率を数％以上数十％程度と見込むと
き、現実のフラッシュメモリの構成から考慮した適当と
思われるnとmの組み合わせは、表１のようになり、現在
の技術レベルでは事実上８バイト程度が妥当となる。こ
れは、現在のフラッシュメモリに採用されている６４B
〜１KBという数字からするとかなり小さいが、技術的に
は問題なく実現可能である。また、今後の技術の進歩に
合わせてこの数字は逐次伸びる。

【００５０】

【表１】

【００５１】表１より、８バイトからなるブロックが１
０M個ある場合、１割寿命が延びる計算になる。また、
この確率は、ブロックの数に比例して高くなり、１００
M個では(事実上はありえないが)計算上では１００％上
書き可能となる。これより、１０M個から１００M個にな
る辺りにかけて、急速に書き換え可能率は上昇し、非常
に効率が良くなることが分かる。

【００５２】次に、ガーベジコレクションテーブルの大
きさについて検証する。ガーベジコレクションテーブル
の実体は可変長リストであるので、その大きさは使用し
ているアルゴリズムに依存する。すなわち、メモリを長
く開放しないアプリケーションほどガーベジコレクショ
ンテーブルの大きさは小さくなる。但し、初期状態には
全てのメモリがガーベジコレクションテーブルに入るこ
とになるので、最大値はメモリサイズに依存する。

【００５３】一つのサイズがnバイトのブロックm個から
なるフラッシュメモリにおいて、そのガーベジコレクシ
ョンテーブルの最大の大きさは、数４のように計算され
る。

【００５４】

【数４】

【００５５】この式より、ガーベジコレクションテーブ
ルの最大値はnに依存しないことが分かる。これより、n
が大きいほどガーベジコレクションの効率は良くなる。
また、実際の数字を計算すると、表２のようになり、実
用的なブロック数を８ブロックと仮定すると、メモリの
実際の容量はmの８倍となるため、１０〜１００Mブロッ
ク程度が限界と考えられる。これ以上の容量に対して
は、ソフトウェア圧縮などによりガーベジコレクション
テーブルを圧縮することが考えられる。PKUNZIPやLHAな
どの圧縮アルゴリズムでは一般的に１〜２桁程度の圧縮
が可能であり、同程度の容量向上が図れる。

【００５６】

【表２】

【００５７】１０〜１００Mという数字は、上書きの効
率上からも丁度良い数字であり、この単位でのブロック
のやり取りが望ましいことが分かる。

【００５８】次に、サーチ速度について考察する。ガー
ベジコレクションテーブルの中から上書き可能なブロッ
クを探す際、通常のパターンマッチは完全一致だが、本
発明の場合は書き込まれるブロックのデータが「０」であ
る場合、書き込むデータが「１」である場合は気にする必
要がないので、少々特殊なパターンマッチとなる。即
ち、書き込むデータが「１」であり、なおかつ書き込まれ
るブロックのデータが「０」である時のみ書き込みができ
ず、それ以外ではできるという条件となる。これをアル
ゴリズムで示したものを図６に示す。このループの規模
はf(mn)となり、メモリの容量に比例する。

【００５９】最後に、本発明の応用分野について考え
る。本発明の応用分野として考えられるのは、通常のフ
ラッシュメモリの応用として考えられている殆ど全ての
分野である。例としては、スマートメディアなどの各種
メモリカード、フラッシュメモリを内蔵した半導体音楽
再生装置や動画再生装置、PDA、等が考えられる。特
に、長時間人間のメンテナンスが受けられない遠方や条
件の過酷なところ、例えば定点気象観測無人ロボットや
ラジオゾンテ、また宇宙船に搭載する各種機器、災害対
策用消防機器、情報収集機器、等では、メモリの追加や
交換が容易に出来ないので、本発明をあらかじめ組み込
むか、あるいは予想よりメモリを酷使する状況になった
ときに本発明によるアルゴリズムに切り替えることが選
択できるようなシステムが考えられる。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、フラッ
シュメモリの消去回数が確率的に減り、また、消去回数
を平均化することにより、フラッシュメモリの寿命が延
びる。

【００６１】また、消去せずに済む分、書き込み速度が
速くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を表した図である。

【図２】本発明における、上書き可能なメモリブロック
を選出する最も簡単なアルゴリズムの例を示した図であ
る。

【図３】本発明における、上書き可能なメモリブロック
がなかった場合の、消去し上書きするメモリブロックを
選出する最も簡単なアルゴリズムの例を示した図であ
る。

【図４】本発明における、上書き可能なメモリブロック
を全て選出するアルゴリズムの例を示した図である。

【図５】本発明における、より高度なアルゴリズムの例
を示した図である。

【図６】サーチアルゴリズムの一例を示した図である。

【符号の説明】

１…フラッシュメモリ、２…ガーベジコレクションテー
ブル、３…アドレス変換テーブル、４…ＲＡＭ、５…シ
ステム、１１〜４４…メモリブロック。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ある状態の記憶単位に対して所望の状態
の書き込みを行う際、現在の状態と所望する状態の組み
合わせにより、特定の組み合わせにおいてのみ消去動作
をせずに上書きが可能で、それ以外の組み合わせにおい
ては書き込みの前に消去動作を行う必要がある記憶単位
からなる不揮発性記憶手段、及びガーベジコレクション
テーブルからなり、単数乃至は複数の記憶単位からなる
記憶ブロック単位での書き込みを行う際、所望する記憶
ブロックの状態と、ガーベジコレクションテーブルに収
まっている記憶ブロック群の記憶ブロックの状態を比較
し、消去動作をせずに上書き可能な記憶ブロックが一つ
乃至は複数あった場合はその中から一つを選んでガーベ
ジコレクションテーブルから出し、上書きを行い、比較
の結果上書き可能な記憶ブロックがなかった場合は、ガ
ーベジコレクションテーブルから一つを選んで消去の上
書き込みを行うことを特徴とする、記憶手段への記憶方
法。
【請求項２】請求項１の記憶方法において、ガーベジ
コレクションテーブルから上書き可能な記憶ブロックが
複数あった場合、その中から一つを選び出す際に、消去
せずに上書き可能な記憶単位の数が最も少ないブロック
を選び出し、また、上書き可能な記憶ブロックがなかっ
た場合、ガーベジコレクションテーブルから一つを選び
出す際に、消去せずに上書き可能な記憶単位の数が最も
少ないブロックを選び出すことを特徴とする、記憶ブロ
ックの選出方法。
【請求項３】現在使用中のメモリを示すテーブルを持
ち、そのテーブルにない記憶ブロックの集合を、請求項
１及び請求項２におけるガーベジコレクションテーブル
と同じ扱いとする、記憶手段への記憶方法。
【請求項４】請求項１、２、３の記憶方法において、
記憶単位が多値素子であった場合、上書きをする際に、
書き込むべき値から現在の記憶単位の値を差し引いた上
でその値を書き込むことを特徴とする、記憶手段への記
憶方法。