JP3078946B2 - 一括消去型不揮発性メモリの管理方法及び半導体ディスク装置 - Google Patents

一括消去型不揮発性メモリの管理方法及び半導体ディスク装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フラッシュＥＥＰＲＯ
Ｍ（以下ではフラッシュ・メモリと呼ぶ）等の一括消去
型不揮発性メモリ及びそれを用いる半導体ディスク装置
に係り、特に、クラスタの消去回数等の管理情報の保
存、回復及び更新に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体ディスク装置に用いるメモリとし
て、一括消去型のフラッシュ・メモリが開発されてい
る。ＤＲＡＭと同じくトランジスタ１つで記憶素子が構
成され、高密度化が可能で、将来の市場次第でＤＲＡＭ
と同等かそれ以下のビット単価（低コスト、大容量）に
なることが期待されている。記憶素子は不揮発性であ
り、電池バックアップの必要はない。消去は一般にチッ
プ単位又はそれよりも小さなブロック単位で行われる。
Richard D. Pashley 外の "Flash memories: the best
of two worlds" 、IEEE SPECTRUM 1989年12月、30〜33
頁は、このようなフラッシュ・メモリの概要を紹介して
いる。パフォーマンスの点では、チップ消去型よりブロ
ック消去型の方が優れている。
【０００３】ブロック消去型のフラッシュ・メモリを半
導体ディスク装置（ＳＳＦ）に用いる場合は、ブロック
の大きさをハード・ディスク装置のアクセス単位である
セクタに等しくしておくと、メモリ管理に都合がよい。
例えば、ヨーロッパ公開特許出願第３９２８９５号はセ
クタ消去型のフラッシュＥＥＰＲＯＭシステムを開示し
ている。このシステムは、消去単位であるセクタ毎にラ
ッチを設けておき、消去したいセクタに対応するラッチ
をセットすることによって、任意の複数のセクタを同時
に消去できるようにしている。複数セクタ分の容量（例
えば４Ｋバイト）を持ったブロックを消去単位にしたフ
ラッシュ・メモリも知られている。さらにそのような物
理的な一括消去単位であるブロックを複数含むクラスタ
を論理的な消去の単位とすることも可能である。
【０００４】しかし、フラッシュ・メモリにはＳＲＡＭ
やＤＲＡＭにはない制限がある。まず、メモリ・ビット
のプログラミングは一方通行で、０から１又は１から０
へしか変えることができない。従って、既に書込まれて
いる記憶位置に新たなデータを書込む場合は、その記憶
位置を含むブロックを一括消去によって全０又は全１に
設定した後に書込みを行う必要がある。消去及び書込み
には、通常、数十ミリ秒から数秒の時間がかかる。ま
た、フラッシュ・メモリは消去及び書込みによって劣化
し、現在のところ、数万回から数十万回の消去及び書込
みで使用限度に達してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような問題に対処
するため、消去回数の上限を越えないよう各ブロック毎
の消去回数を保存しておく必要がある。さらに、特願平
３−１９７３１８号に開示されるように、クラスタ内の
不良セクタの位置を記憶しておき、物理セクタを論理セ
クタに動的に割り当てるときに、これら不良セクタを飛
び越すような工夫が必要とされる。このように、フラッ
シュ・メモリの状態を記述する管理情報を自身の内部に
保存しなければならない状況が発生するが、フラッシュ
・メモリの特性上、データを消去するときに同時にこれ
ら管理情報も消去されてしまう。通常これら管理情報は
消去される前にＳＳＦのコントローラのＲＡＭ領域にコ
ピーされ、ブロック消去の終了後、フラッシュ・メモリ
に書き戻される。しかしながら、このような方法を取る
と、クラスタ消去中に電源断等のシステム障害が発生し
た場合にＲＡＭ上の管理情報が失われ、コントローラは
これを回復することができなくなる。
【０００６】また、フラッシュ・メモリではその構成
上、ブロック不良が発生することが考えられが、このブ
ロック不良の発生によってシステムは管理情報を読み込
めなくなる場合がある。このような不良モードで管理情
報を失ってしまった場合、システムはそのブロック内の
データを失うのみならずＳＳＦ全体の整合性を管理する
ことが出来なくなる恐れがある。これまでのところ、ブ
ロック不良に対するデータの保護管理については有効な
方法は提案されていなかった。
【０００７】管理情報は、ブロックの消去回数などの、
一度失われてしまうと二度と回復できず、かつ、システ
ム管理上非常に重要なデータを含むので、これを喪失す
ることはＳＳＦの管理上重大な問題を引き起こす。この
ように、いついかなる時も必ず保存されなければならな
いデータの保護について複数の不良モードに対応できる
ものはなかった。
【０００８】さらに、管理情報を保存する物理セクタを
一意に決めてしまった場合、そのセクタに不良が発生し
た時にはその管理情報が管理するブロックまたはクラス
タ全体が使用不可となってしまう。即ち、クリティカル
なセクタが不良となることによってその数十倍もの領域
が、物理的には問題が無いにも拘らず論理的に不良とな
ってしまう、という非効率が発生する。これを防ぐため
にはクリティカルなセクタに対し代替セクタを設けると
いう方法があるが、この場合には代替セクタがどこに存
在するかをシステムは記憶しておく必要がある。一般
に、代替セクタに関する情報はフラッシュ・メモリ上に
記憶しておく必要があり、また、フラッシュ・メモリの
特性を考慮に入れれば、この情報は代替されるべきセク
タを含むクラスタに属する適当なセクタに保存されなけ
ればならない。この条件のもとで、代替セクタの位置情
報は、その性質上、これを管理情報の一部としてフラッ
シュ・メモリ上に記憶する事が考えられるが、これでは
管理情報（自分自身）の所在を示すのに自分自身（代替
セクタの位置）を参照しなければならないという矛盾に
陥る。これまでは、このような状況に対して有効な対策
は提案されてこなかった。
【０００９】また、新たな不良セクタの発生などによっ
て管理情報（不良セクタ・マップ）の更新が必要となる
が、一般的にフラッシュ・メモリに対しては上書きが出
来ないので、更新処理は当該クラスタ消去後に行われる
管理情報の再書き込みの時点まで待たなければならな
い。このような更新トランザクションを更新処理完了ま
で如何に保存しておけばよいかということも解決されて
いない問題であった。
【００１０】従って、本発明の目的は、一括消去型不揮
発性メモリを用いた半導体ディスク装置（ＳＳＦ）の信
頼性を保証するために必須である管理情報の保存・更新
を確実に実現することにある。
【００１１】本発明の他の目的は、フラッシュ・メモリ
を用いた半導体ディスク装置において、クラスタ消去回
数等の管理情報を不意の電源断等のシステム障害によっ
て失ってしまったときに、これを回復する手段を提供す
ることにある。
【００１２】本発明のさらに他の目的は、ＳＳＦ稼働中
に不良セクタが発見されたとき、これを管理情報保存領
域に正確に反映させる方法を提供することにある。
【００１３】本発明のさらに他の目的は、管理情報保存
領域がワードライン不良などのセクタ不良により使用不
可能となってしまったときに対処することのできる管理
情報の保存・回復手段を提供することにある。
【００１４】本発明のさらに他の目的は、ブロック不良
に対処することのできる管理情報の保存・回復手段を提
供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明に従う一括消去型
不揮発性メモリは、複数個のセクタを含み、各セクタに
自身の属性を識別するための属性情報が書き込まれる。
【００１６】より具体的には、本発明に従う一括消去型
不揮発性メモリは、複数個のセクタの集まりであるクラ
スタを単位として消去することが可能であり、各クラス
タに自身の管理情報を記憶するためのクラスタ情報セク
タが設けられ、各クラスタのクラスタ情報セクタにはク
ラスタ情報セクタであることを示す属性情報が書き込ま
れ、ユーザ・データを書き込むセクタにはデータ・セク
タであることを示す属性情報が書き込まれる。
【００１７】クラスタ情報セクタは原則としてその属す
るクラスタの所定位置に置かれる。また、データ・セク
タはクラスタの該所定位置以外の領域であるデータ・エ
リアに置かれる。
【００１８】所与のクラスタのデータ・エリアに他のク
ラスタの管理情報のコピーを記憶するためのセクタが含
まれることがある。このセクタには、上記他のクラスタ
の識別子とクラスタ情報コピー・セクタであることを示
す属性情報が書き込まれる。
【００１９】管理情報には、クラスタ消去回数と不良セ
クタ・マップを含むことができる。
【００２０】所与のクラスタのデータ・エリアに、該ク
ラスタまたは他のクラスタにあってまだ関連するクラス
タ情報セクタの不良セクタ・マップに反映されていない
不良セクタの位置を記憶するセクタが含まれることがあ
る。このセクタには不良セクタを含むクラスタの識別子
と不良情報セクタであることを示す属性情報が書き込ま
れる。
【００２１】本発明に従う半導体ディスク装置は、コン
トローラと、これに接続され、かつ上記のようにセクタ
ごとに属性情報がセットされた一括消去型不揮発性メモ
リとを含む。コントローラは、クラスタ消去時にはクラ
スタ情報コピー・セクタをデータ・エリアに作成し、ク
ラスタ初期化時にはクラスタ情報コピー・セクタからク
ラスタ管理情報を再構成し、クラスタ情報セクタを作成
する。
【００２２】
【実施例】本発明の半導体ディスク装置を組み込んだコ
ンピュータ・システムの一例を図１に示す。ＣＰＵ１０
はシステム・バス１３を介して、主記憶装置１５、バス
制御装置１６及びオプションの数値計算用コプロセッサ
１４と通信する。ＣＰＵ１０及び関連する周辺装置の間
の通信はバス制御装置１６を介して行われる。そのた
め、バス制御装置１６はファミリー・バス１８によって
周辺装置に接続されている。周辺装置としては、本発明
に従うフラッシュ・メモリ製の半導体ディスク装置（Ｓ
ＳＦ）２０が接続され、さらに、通信装置２１、フロッ
ピー・ディスク・ドライブ（ＦＤＤ）２２、光ファイル
装置２３、表示装置２４もファミリー・バス１８に接続
されている。勿論、他の周辺装置も接続可能である。こ
のようなコンピュータ・システムの一例はＩＢＭ ＰＳ
／２である。
【００２３】直接メモリ・アクセス制御装置（ＤＭＡ
Ｃ）１２は、これらの周辺装置の全部又は選択された何
台かによるメモリ・アクセスを可能にすべく設けられ
る。そのため、ファミリー・バス１８は、少なくともそ
の一部がＤＭＡＣ１２に分岐接続される。図には示して
いないが、ＤＭＡが可能な各周辺装置にはアービトレー
ション回路が設けられ、アービトレーション・レベル
（優先順位）を割り当てられる。ＤＭＡＣ１２の側に
は、ＤＭＡを同時に要求している複数の周辺装置の間で
調停作業を行って、どの周辺装置がＤＭＡを許可された
かをＤＭＡＣ１２に知らせる中央アービトレーション制
御回路１１が設けられる。ＤＭＡＣ１２及び中央アービ
トレーション制御回路１１によるＤＭＡ制御の詳細は米
国特許第４９０１２３４号明細書に記載されている。
【００２４】ＣＰＵ１０はＳＳＦ２０をハード・ディス
ク装置として扱う。従って、ＳＳＦ２０をアクセスする
ときは、ヘッド番号、シリンダ番号及びセクタ番号から
成るいわゆる相対ブロック・アドレス（ＲＢＡ）がＳＳ
Ｆ２０に送られる。ＳＳＦ２０は動的セクタ割当てを行
う。従って、ＣＰＵ１０から供給されるＲＢＡと、ＳＳ
Ｆ２０の実際にアクセスされるセクタのアドレス（物理
アドレス）との間の関係は固定されておらず、書込みの
度に変化する。そこで、それらの対応関係を明らかにす
るアドレス変換表が設けられる。即ち、ＣＰＵ１０から
のＲＢＡは論理アドレスである。アドレス変換表は、通
常、論理アドレスによって指される項目に、対応する物
理アドレスが書き込まれる。
【００２５】図２に、ＳＳＦ２０の概略的な構成を示
す。このＳＳＦ２０は、ファミリー・バス１８に接続さ
れたコントローラ３０と、内部バス３１を介してこのコ
ントローラ３０に接続されたランダム・アクセス・メモ
リ（ＲＡＭ）３２、バス制御部３３及びフラッシュ・メ
モリ３４で構成される。図示しないが、コントローラ３
０は、マイクロ・プロセッサとこれを制御するプログラ
ムを格納したＲＯＭを含む。図７以下のフローチャート
で説明する消去等の機能は、ＲＯＭのプログラムがマイ
クロ・プロセッサで実行されることによって、実現され
る。
【００２６】ＲＡＭ３２は、アドレス変換表を記憶する
領域３５及びバッファ領域３６を含む。ＲＡＭ３２はこ
の他に後述するクラスタ情報コピー・セクタの位置を記
憶する表３８（以下、ＣＩＳコピー位置表と呼ぶ）と不
良情報セクタの位置を記憶する表３９（以下、不良情報
位置表と呼ぶ）を含む。バス制御部３３は、内部バス３
１と、フラッシュ・メモリ３４に接続されたメモリ・バ
ス３７とを相互接続するための周知のレシーバ／ドライ
バ構成を有する。
【００２７】以下では、セクタ及びクラスタの構成を異
にする実施例を二つ示すが、どちらもＣＰＵの指定する
論理セクタのサイズは５１２バイトであり、ＣＰＵ１０
のＳＳＦ２０に対する最小アクセス単位である物理セク
タのサイズは５１２＋αバイトであるとする。第１実施
例では、ＳＳＦ２０のセクタ（物理セクタ）及びクラス
タは次のようにして管理される。
【００２８】１） 実際の消去を行う論理的な集合をつ
くり、これをクラスタと呼ぶ。クラスタは物理的な消去
単位であるブロックの一つ以上からなる。実施例では８
セクタで１ブロックを構成し、８ブロックで１クラスタ
を構成する。ブロックとクラスタの対応関係は、ブロッ
クの上位アドレスをクラスタの識別子としたり、あるい
は表を作ることによって、形成される。
【００２９】２） 本実施例では物理セクタは以下のよ
うな属性を持ち、それぞれ属性フラグによって識別され
る。
【００３０】まず、各クラスタの先頭がクラスタ情報セ
クタ（ＣＩＳ）に割り当てられ、クラスタ消去回数、ク
ラスタ内の不良セクタ・マップなど、各クラスタ固有の
管理情報を保存する（図３参照）。また、冗長領域（α
バイト）には属性フラグを書き込む領域が含まれてお
り、クラスタ情報セクタであることを示す「クラスタ情
報」フラグがセットされる。これらの情報には個々に対
してパリティー・コードなどを付加し、エラーの発生を
検知できるようにしておく。
【００３１】各種管理情報に対するパリティーは、誤り
訂正が出来るようなコードであることが望ましいが、こ
こでは単純な奇偶パリティーやＣＲＣパリティーで十分
である。これらパリティーを全て含めた管理情報全体
（属性フラグを含む）に対してＥＣＣパリティーを計算
し、これをクラスタ情報セクタの冗長領域に書き込む。
【００３２】特願平５−３５２２８号明細書は、予め各
クラスタに対して互いに重複することのないように順序
番号を与えておき、所与のクラスタが消去されて後に初
期化されるときに、現在の最大順序番号よりも大きな値
を新たな順序番号として当該所与のクラスタに書くとい
う発明を開示している。そのような順序番号を用いてセ
クタを管理する場合には、クラスタ情報セクタに管理情
報として順序番号が書き込まれる。なお、クラスタの管
理情報が５１２バイトの領域全部を占めるわけではな
い。
【００３３】クラスタの先頭セクタはクラスタ管理情報
が置かれる重要なセクタであるが、そこも他のセクタと
同様、ワード線不良などの不良が発生する可能性があ
る。そこで、第１実施例では、先頭セクタが不良である
場合、次以降の、他のいかなる属性を持つセクタよりも
前にあるセクタをクラスタ情報セクタに割り当てるよう
にしている。
【００３４】クラスタの先頭以外のセクタは、本来、ユ
ーザ・データを書くためのエリアなので、これをデータ
・エリアと呼ぶことにする。図４は、各クラスタのユー
ザ・データを保持するセクタ（以下ではデータ・セクタ
と呼ぶ）のフォーマットを示す。図示のように、データ
・セクタは、５１２バイトのユーザ・データを保持する
データ領域の他に、属性フラグ及びエラー訂正符号（Ｅ
ＣＣ）を保持する領域を含む。属性フラグはデータ・セ
クタであることを示す「データ」フラグがセットされ
る。なお、実施例では動的セクタ割当てを行うので、ア
ドレス変換表の項目を指す逆参照ポインタが属性フラグ
の一部として書かれる。
【００３５】データ・エリアには、データ・セクタ以外
の種類のセクタが置かれることがある。図５は、クラス
タ情報セクタのコピーを保持するセクタ（以下ではクラ
スタ情報コピー・セクタまたはＣＩＳコピー・セクタと
呼ぶ）のフォーマットを示す。このセクタは、自身の属
するクラスタとは異なるクラスタの管理情報のコピーを
保管するものである。図示のように、５１２バイトのデ
ータ領域に、クラスタ番号とその番号を持つクラスタの
管理情報のコピーが書き込まれ、αバイトの冗長領域
に、クラスタ情報セクタであることを示す「クラスタ情
報コピー」属性フラグとＥＣＣが書き込まれる。
【００３６】図６は、不良情報セクタのフォーマットを
示す。このセクタは、自身の属するクラスタあるいはそ
れとは異なる異なるクラスタで新たに検出された不良デ
ータ・セクタの番号を保管するものである。図示のよう
に、５１２バイトのデータ領域に、クラスタ番号、その
番号を持つクラスタの不良セクタ番号及び不良セクタ検
出時点での消去回数が書き込まれ、αバイトの冗長領域
に、不良情報セクタであることを示す「不良情報」属性
フラグとＥＣＣが書き込まれる。
【００３７】図３乃至図６に示したセクタのフォーマッ
トは模式的なものであることに注意されたい。例えば、
属性フラグを５１２＋αバイト全体のうちの最先にアク
セスされる領域（ワードラインの先頭）に位置させても
よい。
【００３８】３） 次に、図７を参照して、セクタ書き
込みに伴うベリファイの結果、不良データ・セクタが発
見されたときのＳＳＦの動作を説明する。
【００３９】あるデータ・セクタへの書き込みを所定回
数行ってもベリファイ・エラーとなる場合、コントロー
ラは、そのセクタの属するクラスタのクラスタ番号及び
消去回数並びにセクタ番号をＲＡＭに一時的に保存する
（ステップ７４）。次に、それらの情報を、現在ユーザ
・データを書き込み中のクラスタの次に書くべきセクタ
に書き込み、属性フラグは「不良情報」として、不良情
報セクタを作成する。（ステップ７５）。しかる後、作
成された不良情報セクタの位置（クラスタ番号とセクタ
番号）を不良情報位置表に登録する（ステップ７６）。
不良情報位置表は、不良情報セクタに含まれるクラスタ
番号と該セクタの位置の対応関係を記録する。例えば、
クラスタ番号によって定まる項目に、その番号を含む不
良情報セクタの位置が登録される。
【００４０】このように、不良セクタを発見すると、不
良情報セクタをフラッシュ・メモリに作成するので、関
連する不良セクタ・マップを更新するまでの間に電源断
が発生しても、不良情報は維持される。
【００４１】４） 図８乃至図１１を参照して、クラス
タ消去及びクラスタ初期化に関し、ＳＳＦの動作（コン
トローラが実行する消去プログラム及び初期化プログラ
ム）を説明する。
【００４２】図８は、クラスタ消去動作のフローチャー
トである。あるクラスタＣｎがその有効セクタ数が一定
数を下回る等の条件に合致した場合、コントローラはそ
のクラスタを消去対象に定める（ステップ８０）。次
に、クラスタＣｎ中の有効データを他のクラスタに保管
するためのガベージ・コレクションを行うが（ステップ
８１）、その詳細は後で説明する。
【００４３】ガベージ・コレクションの後、コントロー
ラはクラスタＣｎのＣＩＳを読み取り、ＲＡＭに保存す
る。次に、現在ユーザ・データを書き込み中のクラスタ
の次に書き込むべき位置のセクタに、Ｃｎのクラスタ番
号と読み取った管理情報を書き込み、さらに「クラスタ
情報コピー」フラグと計算したＥＣＣを書き込んで、ク
ラスタ情報コピー・セクタを作成する（ステップ８
３）。作成されたＣＩＳコピー・セクタの位置をＣＩＳ
コピー位置表に登録した後、コントローラはクラスタＣ
ｎを消去する（ステップ８４、８５）。ＣＩＳコピー位
置表は、ＣＩＳコピー・セクタに含まれるクラスタ番号
と該セクタの位置の対応関係を記録する。例えば、クラ
スタ番号によって定まる項目に、その番号を含むＣＩＳ
コピー・セクタの位置が登録される。
【００４４】このように、クラスタを消去する前にＣＩ
Ｓコピー・セクタをフラッシュ・メモリに作成するの
で、消去中に電源断が発生してもクラスタ管理情報は失
われない。
【００４５】図９は、クラスタ初期化のフローチャート
である。ここで言う初期化は、消去済みのクラスタにク
ラスタ情報セクタを作成し、データ・エリアにユーザ・
データを書き込める状態にすることである。空白セクタ
のみからなるクラスタがなくなった等の条件が成就した
とき、コントローラは、消去済みの一つ以上のクラスタ
の中から、消去回数等を考慮して、初期化を行うクラス
タＣｍを選択する。（ステップ９０）。次に、ＣＩＳコ
ピー位置表で示されるクラスタＣｍについてのＣＩＳコ
ピー・セクタを読み取り、Ｃｍの管理情報を再構成す
る。このとき、消去回数はカウント・アップされる（ス
テップ９１）。次に、不良情報位置表で示されるクラス
タＣｍについての不良情報セクタを読み取り、不良情報
セクタの情報に基づいて、不良セクタ・マップを更新す
る（ステップ９２）。しかる後、クラスタＣｍの先頭に
クラスタ情報セクタを作成する。もし、先頭セクタへの
書き込みが失敗に終わった場合、またはＣＩＳコピー・
セクタ中の管理情報（例えば、不良セクタ・マップの先
頭ビット）が先頭セクタの不良であることを示している
場合には、第２番目以降の不良でない位置に、クラスタ
情報セクタを作成する（ステップ９３）。クラスタ情報
セクタに反映されたＣＩＳコピー・セクタの位置情報は
ＣＩＳコピー位置表から、不良情報セクタの位置情報は
不良情報位置表から、クリアされる（ステップ９４）。
【００４６】次に、ガベージ・コレクションの詳細を二
つの例に則して説明する。図１０は、データ・エリアを
先頭から最後まで逐一読む場合のフローチャートであ
る。読み取ったセクタの属性フラグからＣＩＳコピー・
セクタであると判明した場合、コントローラは、それが
有効な情報を保持しており、従って他のセクタにコピー
すべきものであるか否かを判断する（ステップ１０
２）。具体的には、ＣＩＳコピー・セクタが保持するク
ラスタＣｘの消去回数Ｅｘを、クラスタＣｘのＣＩＳに
実際に書き込まれている消去回数Ｅａと比較する。Ｅｘ
とＥａが等しいときは、ＣＩＳコピー・セクタを有効デ
ータと見なす。また、クラスタＣｘが消去されている状
態のときも、有効と見なす。それら以外の場合は、古く
なった無効データとして扱う。これによって、ＣＩＳコ
ピー・セクタが無効データとして消されてしまうことを
防止する。なお、クラスタが消去されている状態にある
ことは、後述する図１４のステップ１４２で判断する。
【００４７】読み取ったセクタが不良情報セクタである
と判明した場合も、同様の判断をする（ステップ１０
４）。具体的には、不良情報セクタが保持する消去回数
と実際のＣＩＳに書かれている消去回数を比較する。両
者が等しいときは、不良情報を有効と見なす。また、ク
ラスタＣｘが消去されている状態のときも、有効と見な
す。それら以外の場合は、不良情報はＣＩＳに反映済み
であるとし、無効データとして扱う。これによって、不
良セクタ・マップの更新が行われる前に、その不良情報
セクタが無効データとして消されてしまうことを防止す
る。
【００４８】読み取ったセクタがデータ・セクタである
場合も、コピーすべき有効なセクタであるか否かを判断
する（ステップ１０５）。具体的には、逆参照ポインタ
でアドレス変換表を参照し、そこに書き込まれている物
理アドレスを求め、これを自身の物理アドレスと比較す
る。両者が一致すれば有効セクタであるので、現在ユー
ザ・データを書き込み中のクラスタの次にユーザ・デー
タを書き込むべき位置に、そのセクタをコピーする（ス
テップ１０６）。その後、読み取ったセクタが有効なＣ
ＩＳコピー・セクタである場合にはＣＩＳコピー位置表
を更新し、有効な不良情報セクタである場合には不良情
報位置表を更新する（ステップ１０７）。
【００４９】５） 図１１は、各データ・セクタの有効
性が予め記録されている場合に、その記録及びＣＩＳコ
ピー位置表並びに不良情報位置表を活用して行うガベー
ジ・コレクションのフローチャートである。ＣＩＳコピ
ー・セクタが消去対象クラスタにあるときは、図１０の
ステップ１０２と同様の方法で、不良情報セクタがある
ときは、ステップ１０４と同様の方法で、それぞれ有効
性を判断する（ステップ１１２、１１７）。
【００５０】図１２及び図１３を参照して、アドレス変
換表の再構成に関し、ＳＳＦの動作（コントローラが実
行するアドレス変換表再構成プログラム）を説明する。
アドレス変換表は動的セクタ割当てを実行する上で必須
のものであるが、ＲＡＭ上に作られるものであるので、
電源をオフにすると失われる。そこで、システム立ち上
げ時に、全クラスタの全セクタを読み取って、アドレス
変換表を再構成する。
【００５１】所与のクラスタの先頭に位置するＣＩＳの
読取りに成功した後、コントローラはデータ・エリアの
セクタを先頭から最後まで順次読み取る（ステップ１２
１、１２２、１３２、１３５）。読取りに失敗したセク
タについては、その位置を一時的にＲＡＭに保存する
（ステップ１３１）。読取りに成功したセクタについて
は、その属性フラグを調べる。ＣＩＳコピー・セクタま
たは不良情報セクタである場合は、図１０のステップ１
０２、１０４と同様に有効性を判断する（ステップ１２
５、１２８）。読み取ったセクタが有効なＣＩＳコピー
・セクタである場合にはＣＩＳコピー位置表を更新し、
有効な不良情報セクタである場合には不良情報位置表を
更新する（ステップ１２６、１２９）。データ・セクタ
である場合は、逆参照ポインタの指すアドレス変換表の
項目に物理アドレスを登録する（ステップ１３０）。
【００５２】データ・エリアの読取りが終了した後、ス
テップ１３１で保存した読取失敗セクタの位置とＣＩＳ
の不良セクタ・マップに登録された不良セクタの位置を
比較する（ステップ１３３）。読取失敗セクタの位置が
未登録の場合には、エラー・メッセージを、例えば表示
装置２４（図１）に表示する（ステップ１３４）。
【００５３】６） 既述のように、クラスタを消去する
とき及びアドレス変換表を再構成するときに、ＳＳＦは
クラスタ情報セクタを読み取る。しかしながら、システ
ム障害などにより消去または初期化が失敗に終わってい
た場合には、クラスタ管理情報の内容が乱れており、Ｅ
ＣＣ訂正不能エラーが発生する。つまり、先頭セクタの
読取りは失敗に終わる。また、本実施例では、クラスタ
の先頭セクタが不良であるときのクラスタ情報セクタ
は、その次のセクタ、つまりデータ・エリアの先頭のセ
クタである。このときも、先頭セクタの読取りは失敗に
終わる。
【００５４】図１４は、クラスタ消去時またはアドレス
変換再構成時等における、クラスタ先頭セクタの読取り
及びその読取りが失敗したときのクラスタ管理情報の獲
得に関係する動作のフローチャートである。先頭セクタ
を読み、訂正不能エラーが検出されなかった場合、ステ
ップ１４６で属性フラグを調べる。「クラスタ情報」で
あることが確認されたならば、管理情報を種類ごとに切
り分けてＲＡＭに保存する（ステップ１４７）。
【００５５】ステップ１４１でエラーが検出される場合
には、当該クラスタが消去されている場合も含まれる。
そこで、ステップ１４２で、当該クラスタが消去済みか
否かを判断する。具体的には、先頭セクタのビット・パ
ターンを消去済みの場合に特有のビット・パターンと比
較する。両者が一致するときは消去済みであり、直ちに
処理を終了する。
【００５６】本実施例では、先頭セクタが不良である場
合、データ・エリア中の、他のいかなる属性を持つセク
タよりも前に、クラスタ情報セクタが置かれる。そこ
で、コントローラは、ステップ１４３で訂正不能と判断
した場合も、訂正不能エラー生じないセクタが見つかる
まで、セクタの読み取りとエラー検出を繰り返す（ステ
ップ１４４、１４５、１４３）。
【００５７】ステップ１４６の判断の結果、正しく読め
たセクタがクラスタ情報セクタではなかったということ
は、クラスタ情報セクタが本来あるべき位置にないこと
を意味する。このような事態は、クラスタ情報セクタを
含むブロックを消去している最中、あるいはクラスタを
初期化している最中に電源断などのシステム障害が起こ
ったか、またはクラスタ情報セクタが読取り不良となっ
たことにより発生する。そこで、ステップ１４８に進
み、他の全てのクラスタの全てのセクタを走査して、ク
ラスタ管理情報を保管しているクラスタ情報コピー・セ
クタを探す。見つかれば、消去をあらためて行った後、
そのクラスタ情報コピー・セクタから管理情報を取り出
し、クラスタの先頭セクタにコピーしてクラスタ情報セ
クタを作成することにより、初期化を行う。もし先頭セ
クタへの書込みが失敗に終わるなら、その次のセクタを
クラスタ情報セクタとする（ステップ１５０）。ＣＩＳ
コピー・セクタがない場合は、致命的なエラーが発生し
たことになるので、その旨のメッセージをユーザに伝
え、ユーザの指示を待つ（ステップ１５１）。
【００５８】次に、第２実施例でのセクタ及びクラスタ
の管理を説明する。
【００５９】７）図１５に示すように、物理的消去単位
であるブロックをＮページに分割する。１ページのサイ
ズは２５６＋βバイト（２５６＝セクタサイズの半分、
βはシステムが用いる数バイトの冗長領域）である。
【００６０】ページをどのように取るかは、一般には使
用するチップの物理仕様に依らない。例えば、バイト単
位で独立にアクセス出来るようなチップに対しては単純
に２５６＋βバイトを論理的な塊として扱えばよい。ま
た、物理的なページ長（ワードライン長）が２５６＋β
バイトであるような専用のチップを用いてもよい。図１
５と図１６は、後者の専用チップを用いる場合を示した
ものである。
【００６１】８） ブロックが偶数個から成る集合をつ
くり、論理的な消去単位であるクラスタを形成する。コ
ントローラはクラスタを単位として消去を行う。図１６
に示すように、これらブロックを半数づつのグループに
分け、それぞれを異なるチップ上に割り当てる。
【００６２】クラスタを形成するブロックのチップ上へ
の割当法は一般的には任意である。ここでは、データ転
送速度向上を目的として、２チップを同時に活性化する
ために図１６に示すようなブロックの割当法をとってい
る。即ち、４ブロックを１クラスタとし、２ブロックず
つを異なるチップに割り当てている。このようにすれ
ば、コントローラとフラッシュ・メモリとの間のバス幅
を２倍にすることができる。さらに倍のバス幅が必要で
あればクラスタを形成するブロックを１／４づつのグル
ープに分け、それぞれを四つの別々のチップに割り当て
ればよい。この場合、１ページの長さは１２８＋γバイ
トにする。
【００６３】９） 一つの物理セクタを必ず複数（ここ
では２個）のブロックにまたがるように配置する。ま
た、セクタ全体に対してＥＣＣパリティーを付加してお
く。
【００６４】物理セクタの長さは５１２＋αバイトであ
り、これを収容するためには二つのページを必要とする
（以下、一つの物理セクタを収容する二つのページを
「ページペア」と呼ぶ）。本実施例では、各ページペア
を、図１６のＰａ（ｘ）とＰｂ（ｘ）のように割り付け
ることによって、各ページが異なるチップ内にあり、従
って異なるブロック内にあるようにしている。
【００６５】１０） 各クラスタの先頭セクタにクラス
タ情報セクタを作成し（図１６中、Ｐａ（０）とＰｂ
（０））、第１実施例と同様に、クラスタ消去回数、ク
ラスタ内の不良セクタ・マップなど、各クラスタ固有の
管理情報をパリティー・コードを付加して格納する。図
１７は、本例のクラスタ情報セクタのフォーマットを示
す。第１実施例と異なる点は、クラスタ管理情報がペー
ジペアの各ページそれぞれに重複して書かれることであ
る。
【００６６】二重化されているページペア内の管理情報
全体（「クラスタ情報」属性フラグを含む）に対してＥ
ＣＣパリティーを計算し、これをページペア内の冗長領
域（α＝２βバイト）に書き込む。計算されたＥＣＣパ
リティーのビットの半分がＰａ（０）に、残り半分がＰ
ｂ（ｏ）に格納される。したがって、Ｐａ（０）とＰｂ
（０）のＥＣＣの部分は異なる。ＥＣＣの部分を除く
と、両ページは全く同じ内容を保持する。
【００６７】このように、クラスタ管理情報を二つのペ
ージに重複して保持するようにしたので、ワード線不良
によってクラスタ管理情報が一度に失われることがな
い。また、その二つのページを異なるブロックに割り当
てたので、ブロック不良によってクラスタ管理情報が一
度に喪失することもない。図１６では、クラスタ情報セ
クタ以外のセクタについてもページペアを二つのブロッ
クに割り付けた。一般的には、クラスタ情報セクタを構
成するページペアを異なるブロックに割り付け、その他
のセクタのページペアは同じブロックに割り付けるよう
にしても、ブロック障害への耐性を十分高めることがで
きる。
【００６８】第１実施例では、クラスタの先頭にクラス
タ情報セクタ以外のセクタが置かれることはなかったの
に対し、本実施例では、代替ＣＩＳポインタ・セクタが
置かれることがある。図１８に示すように、代替ＣＩＳ
ポインタ・セクタは、クラスタの先頭のセクタの一方の
ページが不良である場合に、他方のページに代替ＣＩＳ
のアドレスを保持するものである。図１９はそのフォー
マットを示す。１ページの先頭にクラスタ管理情報を格
納する代替セクタのアドレス（ポインタ）が書き込ま
れ、βバイトの冗長領域に、代替セクタ・ポインタであ
ることを示す属性フラグとＥＣＣが書き込まれる。
【００６９】通常、代替ＣＩＳとしてはクラスタの第２
番目のセクタが選ばれることになるが、そのセクタに関
して不良セクタ・マップに「不良」フラグがセットされ
ている場合には、さらに次のセクタを代替ＣＩＳとする
というように順次選んでいく。代替ＣＩＳとして選ばれ
たセクタは、通常のクラスタ情報セクタと同一のフォー
マットを持っている。データ・セクタ、クラスタ情報コ
ピー・セクタ、不良情報セクタのフォーマットは図４乃
至図６に示したものと同一である。
【００７０】１１） 本実施例における不良データ・セ
クタ発見時、消去時、初期化時、及びアドレス変換表作
成時のＳＳＦの動作は第１実施例と同じである。ただ、
クラスタ情報が二重化されたこと、及び代替セクタ・ポ
インタが設けられたことから、クラスタ先頭セクタの読
取り及びその読取り失敗時のクラスタ管理情報の獲得に
関係する動作は第１実施例と異なる。図２０と図２１は
本実施例での動作のフローチャートである。
【００７１】先頭セクタを読み、訂正不能エラーが検出
されなかった場合、ステップ２１６へ進み、直ちに管理
情報を種類別に切り分けて、ＲＡＭに保存する。
【００７２】訂正不能エラーが検出された場合には、ク
ラスタ情報セクタをページ別に読み分ける。まず、ペー
ジＰａ（０）を読み、そのデータの整合性を各種管理情
報中に付加したＰａ（０）に対するパリティ・コードに
よりチェックする（ステップ２０４）。正しいデータで
あれば、ステップ２０８へ進む。ステップ２０８では、
Ｐａ（０）の属性フラグを検査する。
【００７３】読み取ったＰａ（０）のデータが正しくな
ければ、ページＰｂ（０）を読み、そのデータの整合性
をＰｂ（０）に対するパリティ・コードによりチェック
する（ステップ２０６）。正しいデータであれば、ステ
ップ２０９へ進み、Ｐｂ（０）の属性フラグを検査す
る。
【００７４】先頭セクタのどちらのページの内容も正し
くないときは、ＣＩＳコピー・セクタを探し、見つかれ
ば、ステップ２１２へ進み、図１４のステップ１４９と
同様にしてＣＩＳを回復する。見つからなければ、ステ
ップ２１３へ進み、図１４のステップ１５０と同様にし
てエラー表示などの処理を行う。
【００７５】ステップ２１４で不良でないページＰａ
（０）またはＰｂ（０）の属性を検査した結果、当該ペ
ージがＣＩＳを構成するページの一方である場合には、
代替ＣＩＳセクタと代替ＣＩＳセクタ・ポインタがまだ
作られていないことを意味する。従って、後に行われる
クラスタ初期化の際に代替ＣＩＳと代替ＣＩＳポインタ
・セクタを作成するために、当該クラスタの番号及び先
頭セクタのどちらのページが不良ページであるかをＲＡ
Ｍに保存する（ステップ２１５）。その後、ステップ２
１６へ進んで、当該ページに含まれていた管理情報を種
類ごとに切り分けてＲＡＭに保存する。
【００７６】Ｐａ（０）またはＰｂ（０）の属性が「代
替ＣＩＳポインタ」であるときは、ステップ２１７へ進
み、ポイントされる代替ＣＩＳを読み取り、管理情報を
取り込む。
【００７７】なお、実際には、ステップ２０１と２０２
の間に、図１４のステップ１４２に相当するステップが
存在するが、説明の都合上、図２０ではこれを省略して
いる。
【００７８】以上、特定の二つの実施例を説明したが、
本発明の適用範囲はそれらに限られるわけではない。例
えば、特願平５−３５２２８号明細書のように、クラス
タに順序番号が書き込まれ、消去・初期化される度に順
序番号が書き換えられるＳＳＦでは、図１１のステップ
１１２、１１７や図１２のステップ１２５、１２８にお
いて、消去回数に替えて順序番号を比較するようにして
もよい。
【００７９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、一括消
去型不揮発性メモリを用いる半導体ディスク装置の、電
源断等の障害に対する耐性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うフラッシュ・メモリを半導体ディ
スク装置として使用するコンピュータ・システムの一例
を示すブロック図。
【図２】半導体ディスク装置の概略構成を示すブロック
図。
【図３】第１実施例におけるフラッシュ・メモリのクラ
スタ情報セクタのフォーマットを示す図。
【図４】フラッシュ・メモリのデータ・セクタのフォー
マットを示す図。
【図５】フラッシュ・メモリのクラスタ情報コピー・セ
クタのフォーマットを示す図。
【図６】フラッシュ・メモリの不良情報セクタのフォー
マットを示す図。
【図７】不良データ・セクタを検出したときのＳＳＦの
動作を示すフローチャート。
【図８】セクタを消去するときのＳＳＦの動作を示すフ
ローチャート。
【図９】セクタを初期化するときのＳＳＦの動作を示す
フローチャート。
【図１０】ガベージ・コレクションの一例を示すフロー
チャート。
【図１１】ガベージ・コレクションの他の例を示すフロ
ーチャート。
【図１２】アドレス変換表を再構成するときのＳＳＦの
動作を示すフローチャート。
【図１３】アドレス変換表を再構成するときのＳＳＦの
動作を示すフローチャート。
【図１４】第１実施例でのＳＳＦのクラスタ先頭セクタ
読取り及びそれに関連する動作を示すフローチャート。
【図１５】第２実施例でのブロックとページの関係を示
す図。
【図１６】第２実施例でのクラスタ、ブロック、セクタ
及びページの関係を示す図。
【図１７】第２実施例におけるフラッシュ・メモリのク
ラスタ情報セクタのフォーマットを示す図。
【図１８】代替ＣＩＳポインタ・セクタと代替ＣＩＳの
関係を示す図。
【図１９】代替ＣＩＳポインタ・セクタのフォーマット
を示す図。
【図２０】第２実施例でのＳＳＦのクラスタ先頭セクタ
読取り及びそれに関連する動作を示すフローチャート。
【図２１】第２実施例でのＳＳＦのクラスタ先頭セクタ
読取り及びそれに関連する動作を示すフローチャート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊岡 孝資 東京都千代田区三番町５−19 日本ア イ・ビー・エム株式会社 東京基礎研究 所内 (56)参考文献 特開 平５−27924（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−185766（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G06F 12/00 - 12/06 G06F 12/16

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数個のセクタの集まりであるクラスタを
    単位として消去することが可能である一括消去型不揮発
    性メモリの管理方法であって、 各クラスタの所定のセクタに、自身の管理情報と、該所
    定のセクタがクラスタ情報セクタであることを示す属性
    情報とを書き込み、 各クラスタにおいて上記所定のセクタ以外の領域をデー
    タ・エリアとして、その選択されたセクタに、ユーザ・
    データと、該選択されたセクタがデータ・セクタである
    ことを示す属性情報とを書き込み、 所与のクラスタのデータ・エリアの選択されたセクタ
    に、他のクラスタの管理情報のコピーと、上記他のクラ
    スタの識別子と、該選択されたセクタがクラスタ情報コ
    ピー・セクタであることを示す属性情報とを書き込む、 ことを特徴とする一括消去型不揮発性メモリの管理方
    法。
  2. 【請求項２】上記管理情報はクラスタ消去回数を含み、 所与のクラスタを消去するときに該所与のクラスタに含
    まれるクラスタ情報コピー・セクタの有効性を、該クラ
    スタ情報コピー・セクタに保持されている消去回数と該
    セクタ中の上記識別子によって示されるクラスタのクラ
    スタ情報セクタに保持されている消去回数を比較して判
    断し、 有効である場合には、上記所与のクラスタを消去する前
    に、上記クラスタ情報コピー・セクタを他のクラスタの
    データ・エリアにコピーすることを特徴とする請求項１
    記載の方法。
  3. 【請求項３】複数個のセクタの集まりであるクラスタを
    単位として消去することが可能である一括消去型不揮発
    性メモリの管理方法であって、 各クラスタの所定のセクタに、クラスタ消去回数及び不
    良セクタ・マップを含む自身の管理情報と、該所定のセ
    クタがクラスタ情報セクタであることを示す属性情報と
    を書き込み、 各クラスタにおいて上記所定のセクタ以外の領域をデー
    タ・エリアとして、その選択されたセクタに、ユーザ・
    データと、該選択されたセクタがデータ・セクタである
    ことを示す属性情報とを書き込み、 所与のクラスタのデータ・エリアの選択されたセクタ
    に、該クラスタまたは他のクラスタにあってまだ関連す
    るクラスタ情報セクタの不良セクタ・マップに反映され
    ていない不良セクタの位置と、該不良セクタを含むクラ
    スタの識別子及び消去回数と、該選択されたセクタが不
    良情報セクタであることを示す属性情報とを書き込む、 ことを特徴とする一括消去型不揮発性メモリの管理方
    法。
  4. 【請求項４】所与のクラスタを消去するときに、該所与
    のクラスタに含まれる不良情報セクタの有効性を、該不
    良情報セクタに保持されている消去回数と該セクタ中の
    識別子によって示されるクラスタのクラスタ情報セクタ
    に保持されている消去回数を比較して判断し、 有効である場合には、上記所与のクラスタを消去する前
    に、上記不良情報セクタを他のクラスタのデータ・エリ
    アにコピーすることを特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】複数個のセクタの集まりであるクラスタを
    単位として消去することが可能である一括消去型不揮発
    性メモリの管理方法であって、 それぞれが複数のページを含む偶数個のブロックで各ク
    ラスタを構成し、 所与のクラスタを構成するブロックの半数の先頭ページ
    を該クラスタのクラスタ情報セクタの第１の半分に割り
    当て、残りのブロックの先頭ページを該クラスタ情報セ
    クタの第２の半分に割り当て、 各クラスタのクラスタ情報セクタの第１の半分及び第２
    の半分に、当該クラスタの管理情報と、該セクタがクラ
    スタ情報セクタであることを示す属性情報とを重複して
    書き込み、 各クラスタにおいてクラスタ情報セクタ以外の領域をデ
    ータ・エリアとして、その選択されたセクタに、ユーザ
    ・データと、該選択されたセクタがデータ・セクタであ
    ることを示す属性情報とを書き込むことを特徴とする一
    括消去型不揮発性メモリの管理方法。
  6. 【請求項６】上記クラスタ情報セクタの第１の半分と第
    ２の半分は異なるメモリ・チップに割り付けられること
    を特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】上記クラスタ情報セクタの一方の半分が不
    良のとき、上記所与のクラスタのデータ・エリアに代替
    クラスタ情報セクタを設定して、該セクタにクラスタ情
    報セクタであることを示す属性情報を書き込み、 上記クラスタ情報セクタの他方の半分に上記代替クラス
    タ情報セクタを指すポインタを書き込むことを特徴とす
    る請求項５または６記載の方法。
  8. 【請求項８】複数個のセクタの集まりであるクラスタを
    単位として消去することが可能であり、各クラスタの所
    定位置に自身の管理情報を記憶するためのクラスタ情報
    セクタが設けられている一括消去型不揮発性メモリと、 上記一括消去型不揮発性メモリに接続され、各クラスタ
    のクラスタ情報セクタに、当該クラスタの管理情報と、
    該セクタがクラスタ情報セクタであることを示す属性情
    報とを書き込み、上記クラスタ情報セクタ以外の領域を
    データ・エリアとして、その選択されたセクタに、ユー
    ザ・データと、該選択されたセクタがデータ・セクタで
    あることを示す属性情報とを書き込むか、または他のク
    ラスタの消去前に該他のクラスタのクラスタ情報セクタ
    から読み取られた管理情報と、該他のクラスタの識別子
    と、該選択されたセクタがクラスタ情報コピー・セクタ
    であることを示す属性情報とを書き込むコントローラと
    を含むことを特徴とする半導体ディスク装置。
  9. 【請求項９】上記コントローラに接続されたプロセッサ
    及びランダム・アクセス・メモリをさらに含み、 上記ランダム・アクセス・メモリは、 上記プロセッサが発するコマンドに含まれる論理アドレ
    スを特定のセクタを指示する物理アドレスに変換するた
    めのアドレス変換表と、 上記クラスタ情報コピー・セクタに含まれるクラスタ識
    別子と該セクタの位置の対応関係を示す表とを含むこと
    を特徴とする請求項８記載の半導体ディスク装置。
  10. 【請求項１０】複数個のセクタの集まりであるクラスタ
    を単位として消去することが可能であり、各クラスタの
    所定位置に自身の管理情報を記憶するためのクラスタ情
    報セクタが設けられている一括消去型不揮発性メモリ
    と、 上記一括消去型不揮発性メモリに接続され、各クラスタ
    のクラスタ情報セクタに、当該クラスタの不良セクタ・
    マップを含む管理情報と、該セクタがクラスタ情報セク
    タであることを示す属性情報とを書き込み、上記クラス
    タ情報セクタ以外の領域をデータ・エリアとして、その
    選択されたセクタに、ユーザ・データと、該選択された
    セクタがデータ・セクタであることを示す属性情報とを
    書き込み、所与のクラスタに不良セクタを検出したとき
    に、該クラスタの識別子及び消去回数と、該不良セクタ
    の識別子とを、現在ユーザ・データを書き込み中のクラ
    スタのセクタに書き込み、かつ該書き込まれたセクタに
    不良情報セクタであることを示す属性情報をセットする
    コントローラとを含むことを特徴とする半導体ディスク
    装置。
  11. 【請求項１１】上記コントローラに接続されたプロセッ
    サ及びランダム・アクセス・メモリをさらに含み、 上記ランダム・アクセス・メモリは、 上記プロセッサが発するコマンドに含まれる論理アドレ
    スを特定のセクタを指示する物理アドレスに変換するた
    めのアドレス変換表と、 上記不良情報セクタに含まれるクラスタ識別子と該セク
    タの位置の対応関係を示す表とを含むことを特徴とする
    請求項１０記載の半導体ディスク装置。
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