JP7017495B2 - フラッシュメモリの管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、データのアクセス単位であるページを複数含むブロックを複数有し、書き込んだデータの読み込み時にエラーが生じた場合にエラーデータを復旧するためのパリティが書き込みされるフラッシュメモリの管理方法に関するものである。

近時において、半導体プロセス微細化や多値化技術などによるフラッシュメモリの大容量化が進んでいることから、メディア単体としてのエラーレートは増加してしまっていて信頼性が下降傾向にある。このような状況下、フラッシュメモリを搭載したストレージデバイスでは、ドライブレベルでの信頼性を維持するため、フラッシュメモリコントローラに要求されるＥＣＣの訂正能力の向上が図られている。また、データ読み込み時の閾値電圧等の条件を変えながら複数回リトライ（リードリトライ）することも行われている。

そして、さらに信頼性を求められる用途に使用されるドライブにおいては、Chip RAID機能を搭載し、強力なＥＣＣやリードリトライでも訂正できなかったデータをリカバリー可能なものが提案されている（例えば特許文献１参照）。このChip RAIDは、一般に知られているRAID（複数のストレージデバイスを、冗長性を持った単一の論理ドライブとして扱い、これを構成する単体または複数の物理ドライブにエラーが起きた際に冗長データからエラーデータを復旧する仕組み）と同様の仕組みを、ストレージデバイス内部のフラッシュメモリ制御に適用し、ドライブ単体の信頼性を向上させるものである。

具体的には、フラッシュメモリへデータを書き込む際、RAIDエンコーダによって所定量のデータのかたまり（パリティデータグループ）に対するパリティ（冗長データ）を生成し、これを付加して書き込むものとされており、フラッシュメモリからデータを読み出す際、ＥＣＣの訂正能力を超えた訂正不能エラー（Uncorrectable Error）があると判定されると、パリティを含む同一のデータグループ内のデータをもとにRAIDデコーダーによってエラーデータをリカバリーするようになっている。

例えば、従来のパリティの生成及びフラッシュメモリへの書き込み手順として以下の方法が挙げられる。
（１）パリティのエンコーダをリセットする。
（２）ページ書き込みの際、パリティデータグループ内でのページ位置がパリティページでなければ、書き込むページデータをエンコーダに入力しパリティを更新する。
（３）パリティを除いたパリティデータグループのページ数だけ（２）を繰り返し、パリティを完成させる。
（４）完成したパリティをエンコーダから出力し、これをパリティページ位置に書き込み、パリティデータグループを閉じる。

特表２０１３－５２２７７６号公報

しかしながら、上記従来技術においては、訂正能力（フラッシュメモリの故障モードに対する耐性、以下単に「故障モード耐性」という。）と容量効率はトレードオフの関係にあり、どちらかを犠牲にせざるを得ないという問題があった。すなわち、容量効率を重視するため、例えばパリティを含むパリティデータグループのサイズがスーパーページ（ダイ（Die）（フラッシュメモリチップ）を複数有する場合、各ダイのブロックにおいて対応するページを連結したもの）のサイズよりも大きくなるように設定する方式（容量効率重視方式）を採用した場合、故障モードに耐性がなく、訂正能力を重視するため、例えば複数のダイを搭載したドライブにおいて、パリティを含むパリティデータグループのサイズをスーパーページのサイズと同じまたは小さく設定し、１つ（または複数）のチップをパリティ専用として割り当てる方式（訂正能力重視方式）を採用した場合、容量効率が低下してしまうのである。

本出願人は、このような事情に鑑みて、高い容量効率を保ちつつ故障モードに対する高い耐性を有するチップレイドを実現することを検討するとともに、特に、ＢｉＣＳタイプの３Ｄ・ＮＡＮＤフラッシュメモリにおけるメモリ構造に起因する故障モードに対して高い耐性を有するチップレイドを実現することを鋭意検討するに至った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高い容量効率を保ちつつ故障モードに対する高い耐性を有するチップレイドを実現することができるとともに、特にメモリ構造に起因する故障モードから適切にデータを保護することができるフラッシュメモリの管理方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、データのアクセス単位であるページを複数含むブロックを複数有し、メモリの構造における前記ページの配置位置がストリング及びレイヤーで表されるとともに、前記レイヤー毎の前記ストリングに所定数の前記ページを有するものとされ、書き込んだデータの読み込み時にエラーが生じた場合にエラーデータを復旧するためのパリティが書き込みされるフラッシュメモリの管理方法において、前記パリティを更新して出力するエンコーダと、前記エンコーダで出力された前記パリティを保持する保持手段とを具備し、ページデータの書き込みを行う際、前記保持手段がパリティデータグループ毎のパリティを保持しつつ前記エンコーダが所定数のグループに分散させながらパリティの更新を行い、各グループにおいて所定回数パリティを更新したことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んでパリティデータグループを完成させる管理方法とされ、且つ、前記パリティデータグループの数は、１つの前記レイヤー内に形成されるページ数又は２つの前記レイヤー内に形成されるページ数に相当することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のフラッシュメモリの管理方法において、前記ブロックを複数含むダイを複数有するとともに、各ダイのブロックにおいて対応するページを連結したグループを作成するとともに、前記パリティを更新するページは、前記グループにおける各ページであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のフラッシュメモリの管理方法において、１つの前記パリティデータグループを構成するデータ及びパリティのページ数は、１つのスーパーブロック内のページ数を所定のパリティデータグループ数で割り切れる値とすることにより当該スーパーブロックの最後のページまで余すことなくパリティデータグループで埋め尽くすことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のフラッシュメモリの管理方法において、前記ページに書き込まれる各データは、データ領域と管理情報から成る冗長データ領域とを有するとともに、前記パリティは、前記データ領域に対するパリティと、前記冗長データ領域に対するパリティとを含むことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載のフラッシュメモリの管理方法において、前記エンコーダは、前記データ領域のパリティを更新して出力する第１エンコーダと、前記冗長データ領域のパリティを更新して出力する第２エンコーダと、を具備するとともに、前記保持手段は、前記第１エンコーダ及び第２エンコーダで出力された前記データ領域及び冗長データ領域のパリティを保持するものとされ、最終的に更新及び出力した前記データ領域及び冗長データ領域のパリティを前記ページに書き込むことにより前記パリティデータグループを作成することを特徴とする。

本発明によれば、ページデータの書き込みを行う際、パリティデータグループ毎のパリティを保持しつつ所定数のグループに分散させながらパリティの更新を行い、各グループにおいて所定回数パリティを更新したことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んでパリティデータグループを完成させるので、高い容量効率を保ちつつ故障モードに対する高い耐性を有するチップレイドを実現することができるとともに、特にメモリ構造に起因する故障モードから適切にデータを保護することができる。

本発明の実施形態に係るフラッシュメモリのメモリ構造（ＳＬＣ）を示すブロック図 同フラッシュメモリのメモリ構造（ＭＬＣ）を示すブロック図 同フラッシュメモリのメモリ構造（ＴＬＣ）を示すブロック図 同フラッシュメモリの構造及びＳＬＣページ配置を示す模式図 同フラッシュメモリの構造及びＴＬＣページ配置を示す模式図 同フラッシュメモリの故障モードの例（レイヤー間ショート）を示す模式図 同フラッシュメモリの故障モードの例（ブロック間ショート）を示す模式図 同フラッシュメモリの書き込み方法であってスーパーページを説明するための模式図 同フラッシュメモリの書き込み方法であってスーパーページを利用して書き込まれたストレージの構造を示す模式図 同フラッシュメモリの書き込み方法（多値（MLC/TLC）の場合）であってスーパーページを説明するための模式図 同フラッシュメモリの書き込み方法であってスーパーページを利用して書き込まれたストレージの構造を示す模式図 同フラッシュメモリの書き込み方法（多値（MLC/TLC）の場合）であって他の形態のスーパーページを説明するための模式図 同フラッシュメモリの書き込み方法であって他の形態のスーパーページを利用して書き込まれたストレージの構造を示す模式図 同フラッシュメモリのレイド方式を示す模式図 同フラッシュメモリのレイド方式における書き込み手順を示すフローチャート 同フラッシュメモリのレイド方式（冗長データ領域を含む場合）を示す模式図 同フラッシュメモリのＢＩＣＳタイプの３Ｄ・ＮＡＮＤ構造を示す模式図

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係るフラッシュメモリは、ＢｉＣＳタイプの３Ｄ・ＮＡＮＤフラッシュメモリから成るもので、図１７に示すように、レイヤ（Layer）と呼ばれる層が積層されるとともに、１つのレイヤ（Layer）には、複数（４つ）のストリング（String）が接続されて構成されている。また、各ストリング（String）には、データのアクセス単位であるページ（Page）が複数形成されている。すなわち、単一のフラッシュメモリへの書き込み（プログラム）は、ページ（Page）単位で行われるのである。

本実施形態に係るフラッシュメモリは、図１～３に示すように、１つのダイ１（LUN）（メモリチップ）に複数のブロック２（Block）を有して構成されるとともに、１つのブロック２（Block）に複数のページ（Page）を有して構成されている。具体的には、図１には、ＳＬＣ（1 Bit/cell）の場合の構造、図２には、ＭＬＣ（2 Bit/cell）の場合の構造、図３には、ＴＬＣ（3 Bit/cell）の場合の構造がそれぞれ示されている。

また、ＳＬＣの場合においては、図４に示すように、１つのストリング（String）に１つのページ（Page）を有しており、ＴＬＣの場合においては、図５に示すように、１つのストリング（String）に３つのページ（Page）を有して構成されている。なお、ＭＬＣの場合においては、１つのストリング（String）に２つのページ（Page）を有して構成されている。

さらに、本実施形態においては、複数のダイ１（LUN）（メモリチップ）を搭載したドライブに適用されており、並列動作アクセスによる効率化及び高速化のため、図８、９に示すように、各ダイ１を所定の順序でローテーションしながらページ単位またはString単位のデータを書き込むようになっている。ここで、本明細書においては、各ダイ１を所定の順序でローテーションしながらページ単位またはString単位のデータを書き込む際、各ダイ１の単一ブロックを連結したグループをスーパーブロックと呼び、各ダイ１の単一または複数ページを連結したグループをスーパーページと呼ぶ。

しかるに、多値（MLC/TLC）のフラッシュメモリの場合、実施形態の違いによりスーパーページを二通り定義できる。一つ目は、図１０、１１に示すように、単純に各ダイ１で１ページずつ同じページ番号を連結する方法であり、ストリング（String）内の各ページ（LSB, CSB, MSB）は別のスーパーページに属する方法である（RAIDデータチャンクサイズ＝１ページ）。そして、二つ目は、図１２、１３に示すように、ストリング（String）内の全ページ（LSB, CSB, MSB）を分割せず纏めて扱い、ストリング（String）単位で連結する方法である（RAIDデータチャンクサイズ＝ストリング（String）内のページ数）。

一方、本実施形態においては、想定される故障モードに対して復旧可能とされている。想定される第１の故障モードとして、例えば隣り合うレイヤー（Layer）間でショートした場合（図１７におけるα（ブロックにおける隣合う２レイヤー）が影響範囲）であり、図６に示すように、同図中のハッチングが施された部分のページ（Page）が突然正常に機能しなくなる虞がある。これは、１ブロック（Block）内で最大８ストリング（String）分のページ（Page）が機能しなくなることを意味し、ＴＬＣ（3 Bit/cell）の場合、連続した２４ページ分のデータに相当する。

また、想定される第２の故障モードとして、例えば隣り合うブロック（Block）間でショートした場合（図１７におけるβ（ブロックにおけるいずれかのレイヤー）が影響範囲）であり、図７に示すように、同図中のハッチングが施された部分のページ（Page）が突然正常に機能しなくなる虞がある。これは、各ブロック（Block）内で連続した４ストリング（String）分のページ（Page）が機能しなくなることを意味し、ＴＬＣ（3 Bit/cell）の場合、各ブロック（Block）で連続した１２ページ分のデータに相当する。

ここで、本実施形態に係るフラッシュメモリの管理方法においては、書き込んだデータの読み込み時にエラーが生じた場合にエラーデータを復旧するためのパリティ（Parity）が書き込みされるとともに、図１４に示すように、各スーパーページに対し順に所定数のグループ番号をローテーションしながら割り当て、複数のパリティデータグループを構成する。各グループのパリティを保持しつつ、１つのパリティデータグループにつき、ページ（Page）毎のデータに対するパリティ（Page）を所定回数更新したことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んで当該パリティデータグループを作成するようになっている。なお、同図において、パリティは、ダイ（Die）（N-1）におけるページ（Page）Xから ページ（Page）X+23までの部分に相当する。

すなわち、本実施形態に係るフラッシュメモリの管理方法においては、ページのデータに対するパリティを更新し、その更新したパリティを保持しつつページを順次切り替え、所定回数ページを切り替えたことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んでパリティデータグループを作成するのである。

具体的には、図１４に示すように、エンコーダ４によってページのパリティを更新して出力する過程において、スーパーページが切り替わる際に、それまでのパリティデータグループのパリティ更新を一時中断し、別のパリティデータグループとしてパリティを更新する。そして、故障モード（例えば第１の故障モード或いは第２の故障モード）による一度の故障での影響範囲が切り替わる境界を過ぎると、再び最初のパリティデータグループとしてパリティ更新を途中から再開する。このとき、パリティデータグループが切り替わる際、エンコーダ４は該当するパリティデータグループのパリティに切り替えるため、必要に応じて計算途中のパリティを専用のメモリ５（保持手段）に保存、および復元を行う。

すなわち、一度の故障で同時に影響がでない分だけ互いに離間した複数のページを連結し、その最後のページに更新したパリティを形成して１つのパリティデータグループを作成しているのである。このように、本実施形態に係るフラッシュメモリを管理することにより、想定される第１の故障モード（図６参照）や第２の故障モード（図７参照）により同時に影響が出る可能性のある各ページ（Page）が同一のパリティデータグループに属さないよう、それぞれ独立した複数のパリティデータグループに分散（例えば、図１４中、ダイ１（♯１）におけるページ（Page 0～Page 23）の範囲が同時に故障モードの影響がでる場合、独立した複数のパリティデータグループに故障モードの影響部分を一つずつ分散）することができる。

しかして、単一のダイ１（Die）で単発的に故障が発生しても、単一のレイドデータグループ内に発生するエラーは１ レイドデータチャンクのみとなり、レイド（RAID）による訂正が可能となる。また、同一のレイドデータグループ内で故障が複数同時（同時期）に発生する確率は非常に低いため、高確率でリカバリー可能となる。さらに、この方式では、パリティ比率がダイ（Die）の数に依存することなく、高い容量効率を実現できる。

次に、本実施形態に係るフラッシュメモリのレイド方式における書き込み手順について、図１５のフローチャートに基づいて説明する。
先ず、エンコーダ４をリセットし（Ｓ１）、パリティを書き込むページか否か判定する（Ｓ２）。そして、Ｓ２において、パリティを書き込むページでないと判定された場合、直前のページと同一グループか否か判定し（Ｓ３）、同一のグループ（パリティデータグループ）であると判定された場合は、エンコーダ４によってパリティを更新（アップデート）（Ｓ４）した後、データを書き込み（Ｓ５）、ページを更新（アップデート）する（Ｓ６）。

また、Ｓ３において、同一のグループ（パリティデータグループ）でないと判定された場合は、Ｓ７に進み、それまでのパリティを専用のメモリ５にて保持（記憶）させ、Ｓ８にて現在のパリティを復元した後、エンコーダ４によってパリティを更新（アップデート）する（Ｓ４）。一方、Ｓ２において、パリティを書き込むページであると判定された場合、Ｓ９に進み、エンコーダ４によってパリティを出力（アウトプット）し、Ｓ１０にてパリティを書き込んだ後、Ｓ１１にて最後のグループ（パリティデータグループ）であるか否か判定される。Ｓ１１において、最後のパリティデータグループでないと判定されると、Ｓ６に進み、再びＳ２以降の工程が繰り返されるとともに、最後のパリティデータグループであると判定されると、一連の工程が終了する。

このように、本実施形態に係るフラッシュメモリの管理方法おいては、ページ（Page）のパリティ（Parity）を更新して出力するエンコーダ４と、エンコーダ４で出力されたパリティを保持する保持手段（専用のメモリ５）とを具備し、最終的に更新及び出力したパリティをページに書き込むことによりパリティデータグループを作成するようになっている。

しかるに、ブロック（Block）は、ページ（Page）を有する複数のストリング（String）が形成されるとともに、ストリングがレイヤー（Layer）で接続されて成り、スーパーページ単位で切り替えるパリティデータグループの数は、少なくとも１つのレイヤーに接続されたストリング内のページ数又は少なくとも２つのレイヤーに接続されたストリング内のページ数に相当するのが、故障モードに対する耐性を向上させる上で好ましい。言い換えるなら、同時にパリティを保持するパリティデータグループの数は、少なくとも１つのレイヤーに接続されたストリング内のページ数又は少なくとも２つのレイヤーに接続されたストリング内のページ数に相当する。

またさらに、パリティデータグループを構成するデータ及びパリティ（Parity）のページ数は、「１つのスーパーブロック内のページ数を所定のパリティデータグループ数で割った値」を割り切れる値とすることにより当該スーパーブロックの最後のページまで余すことなくパリティデータグループで埋め尽くすよう構成するのが、容量効率を向上させる上で好ましい。言い換えるなら、所定数のパリティデータグループを構成する総ページ数またはその整数倍のページ数を、単一または複数ダイを連結したブロック内の総ページ数と合致させることにより、当該スーパーブロックの最後のページまで余すことなくパリティデータグループで埋め尽くすよう構成されている。この場合、「所定数」は「同時にパリティを保持するパリティデータグループ数」を表し、「単一または複数ダイを連結したブロック」は「スーパーブロック」を意味する。

さらに、本実施形態においては、図１６に示すように、ページ（Page）に書き込まれる各データは、データ領域Ａと管理情報から成る冗長データ領域Ｂとを有するとともに、パリティ（Parity）は、データ領域Ａに対するパリティと、冗長データ領域Ｂに対するパリティとを含むものとされている。この場合、データ領域Ａのパリティを更新して出力する第１エンコーダ６ａと、冗長データ領域Ｂのパリティを更新して出力する第２エンコーダ６ｂと、第１エンコーダ６ａ及び第２エンコーダ６ｂで出力されたデータ領域Ａ及び冗長データ領域Ｂのパリティを保持する保持手段（専用のメモリ５）とを具備し、最終的に更新及び出力したデータ領域Ａ及び冗長データ領域Ｂのパリティをページに書き込むことにによりパリティデータグループを作成するようになっている。なお、第１エンコーダ６ａと第２エンコーダ６ｂとは、独立したエンコーダにて構成されている。

本実施形態によれば、ページデータの書き込みを行う際、パリティデータグループ毎のパリティを保持しつつ所定数のグループに分散させながらパリティの更新を行い、各グループにおいて所定回数パリティを更新したことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んでパリティデータグループを完成させるので、高い容量効率を保ちつつ故障モードに対する高い耐性を有するチップレイドを実現することができるとともに、特にメモリ構造に起因する故障モードから適切にデータを保護することができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本実施形態においては、パリティデータグループの数は一度に故障する可能性があるレイヤー（Layer）の数（一般的に２層）及びレイヤー（Layer）当たりのストリング（String）の数（本実施形態の如くＢｉＣＳ・ＮＡＮＤの場合は４つ）から算出するのが好ましいが、他の数から算出するものであってもよい。

また、ストリング（String）内の各ページ（Page）を個別のパリティデータグループ（データチャンクサイズは１ページ）として扱うようにしてもよく、特にＢｉＣＳタイプの３Ｄ・ＮＡＮＤフラッシュメモリにおけるＴＬＣの場合に必要なパリティデータグループ数として、２レイヤー（Layer）×４ストリング（String）×３ページ（Page）＝２４個（パリティデータグループのチャンクサイズは１ページ）としてもよい。

さらに、ストリング（String）内の全てのページ（Page）（複数ページ（Page））を数珠繋ぎにして１つのパリティデータグループ（パリティデータチャンクサイズはストリング（String）内のページ数分）として扱うようにしてもよい。特にＢｉＣＳタイプの３Ｄ・ＮＡＮＤフラッシュメモリにおけるＴＬＣの場合に必要なパリティデータグループ数として、２レイヤー（Layer）×４ストリング（String）＝８個（パリティデータグループのチャンクサイズは３ページ）としてもよい。

ページデータの書き込みを行う際、パリティデータグループ毎のパリティを保持しつつ所定数のグループに分散させながらパリティの更新を行い、各グループにおいて所定回数パリティを更新したことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んでパリティデータグループを完成させるフラッシュメモリの管理方法であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたもの等にも適用することができる。

１ ダイ（チップ）
２ ブロック
３ ページ
４ エンコーダ
５ 専用のメモリ（保持手段）
６ａ 第１エンコーダ
６ｂ 第２エンコーダ
Ａ データ領域
Ｂ 冗長データ領域

Claims (5)

1. データのアクセス単位であるページを複数含むブロックを複数有し、メモリの構造における前記ページの配置位置がストリング及びレイヤーで表されるとともに、前記レイヤー毎の前記ストリングに所定数の前記ページを有するものとされ、書き込んだデータの読み込み時にエラーが生じた場合にエラーデータを復旧するためのパリティが書き込みされるフラッシュメモリの管理方法において、
   前記パリティを更新して出力するエンコーダと、
   前記エンコーダで出力された前記パリティを保持する保持手段と、
   を具備し、
   ページデータの書き込みを行う際、前記保持手段がパリティデータグループ毎のパリティを保持しつつ前記エンコーダが所定数のグループに分散させながらパリティの更新を行い、各グループにおいて所定回数パリティを更新したことを条件として最終的に更新したパリティを書き込んでパリティデータグループを完成させる管理方法とされ、且つ、前記パリティデータグループの数は、１つの前記レイヤー内に形成されるページ数又は２つの前記レイヤー内に形成されるページ数に相当することを特徴とするフラッシュメモリの管理方法。
2. 前記ブロックを複数含むダイを複数有するとともに、各ダイのブロックにおいて対応するページを連結したグループを作成するとともに、前記パリティを更新するページは、前記グループにおける各ページであることを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリの管理方法。
3. １つの前記パリティデータグループを構成するデータ及びパリティのページ数は、１つのスーパーブロック内のページ数を所定のパリティデータグループ数で割り切れる値とすることにより当該スーパーブロックの最後のページまで余すことなくパリティデータグループで埋め尽くすことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフラッシュメモリの管理方法。
4. 前記ページに書き込まれる各データは、データ領域と管理情報から成る冗長データ領域とを有するとともに、前記パリティは、前記データ領域に対するパリティと、前記冗長データ領域に対するパリティとを含むことを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリの管理方法。
5. 前記エンコーダは、前記データ領域のパリティを更新して出力する第１エンコーダと、前記冗長データ領域のパリティを更新して出力する第２エンコーダと、を具備するとともに、前記保持手段は、前記第１エンコーダ及び第２エンコーダで出力された前記データ領域及び冗長データ領域のパリティを保持するものとされ、最終的に更新及び出力した前記データ領域及び冗長データ領域のパリティを前記ページに書き込むことにより前記パリティデータグループを作成することを特徴とする請求項４記載のフラッシュメモリの管理方法。

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