KR100538338B1 - 플래시 메모리의 블록 균등 분산 기법 및 이를 이용한데이터 저장 장치 - Google Patents

플래시 메모리의 블록 균등 분산 기법 및 이를 이용한데이터 저장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메모리 블록에 대한 데이터 기록 동작과 소거 동작의 발생 빈도수가 플래시 메모리의 전체 메모리 블록에 대해 균등하게 분산될 수 있도록 하는 블록 균등 분산 기법 및 이를 이용한 데이터 저장 시스템에 관한 것이다. 플래시 메모리는 각각 복수의 섹터를 포함하는 복수의 메모리 블록으로 이루어지고, 데이터의 소거는 블록 단위로 이루어지고, 데이터의 쓰기와 읽기는 섹터 단위로 이루진다. 제1 메모리 블록을 지정하는 논리 어드레스가 입력된 경우 이를 임시 블록(또는 프리 블록)을 지정하는 물리 어드레스로 변환하여 이 물리 어드레스에 의해 지정된 임시 블록(제2 메모리 블록)에 데이터를 기록한다. 연속되는 그 다음 기록 동작에서는 제1 메모리 블록을 소거하여 임시 블록으로 만들고 논리 어드레스에 의해 데이터를 기록하도록 지정된 제3 메모리 블록 대신 새롭게 임시 블록으로 선정된 제1 메모리 블록에 데이터를 기록한다. 호스트 시스템이 유휴 상태일 때, 균등 난수를 이용하여 새롭게 임시 블록으로 지정할 블록을 찾고, 그 다음 데이터 기록 동작에서는 이 임시 블록에 데이터를 기록한다. 본 발명에서는 데이터를 기록할 수 있는 모든 메모리 블록을 상대로 임시 블록을 선정하기 때문에 임시 블록으로 선정되어 데이터가 기록될 빈도수는 모든 메모리 블록에 대해 균등하게 되므로, 플래시 메모리의 소거 동작으로 인한 마모가 전체 메모리 블록에 대핸 균등하게 분산되도록 할 수 있다.

Description

플래시 메모리의 블록 균등 분산 기법 및 이를 이용한 데이터 저장 장치 {Method for Uniformly Distributing Memory Blocks of Flash Memory and Data Storage Device Using The Method}
본 발명은 반도체 메모리 기술에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 메모리 블록에 대한 데이터 기록 동작과 소거 동작의 발생 빈도수가 플래시 메모리의 전체 메모리 블록에 대해 균등하게 분산될 수 있도록 하는 블록 균등 분산 기법 및 이를 이용한 데이터 저장 시스템에 관한 것이다.
플래시 메모리(flash memory)는 비휘발성을 가지기 때문에 내장형 시스템에서 데이터 저장을 위한 디스크 대용으로 쓰일 수 있다. 이처럼 플래시 메모리는 크기가 작고 구성이 간단한 내장형 시스템이나 이동형 시스템 등에서 다른 저장 장치에 비해 많은 장점이 있고, 전력 소모가 적다는 점에서 이동형 시스템 등에 사용하기 적합하다.
일반적으로 플래시 메모리 칩은 여러 개의 메모리 블록(memory block)으로 나누어져 있고, 하나의 메모리 블록은 섹터(sector) 단위로 구성된 메모리 셀 어레이로 구성되어 있다. 그런데, 플래시 메모리는 메모리 셀 블록에 데이터를 기록(write 또는 program) 하는 경우 그것이 블록의 일부 페이지 또는 섹터인 경우에도 해당 블록을 모두 소거(erase)한 다음 기록을 해야 한다는 점과, 소거하는 단위의 크기와 프로그램(또는 기록)하는 단위의 크기가 서로 다르다는 점 등 크게 2가지 점에 그 특징이 있다. 이러한 플래시 메모리의 특성으로 인해, 플래시 메모리는 데이터를 기록하는 데에는 많은 시간이 걸릴 뿐만 아니라 기록을 하기 전에 소거 동작이 선행되어야 하기 때문에 기록 동작의 횟수가 많아질수록 플래시 메모리의 수명이 짧아진다는 문제가 있다. 즉, 플래시 메모리는 기록 동작이 행해질 때마다 마모(wear)가 되며 이것이 플래시 메모리의 수명에 직접적인 영향을 준다. 일반적으로 플래시 메모리의 경우 약 10만번의 소거와 기록이 가능하다.
플래시 메모리의 수명을 늘리기 위해 종래부터 '마모 균등화 기법(wear leveling)'이 사용되고 있다. 그런데, 종래의 마모 균등화 기법은 어느 메모리 블록의 소거 횟수 또는 기록 횟수 데이터를 별도로 저장해 두었다가 플래시 메모리에 데이터를 기록할 경우 소거 또는 기록 횟수가 모든 메모리 블록에 대해 균일하게 되도록 기록할 메모리 블록을 찾아 판단하는 과정이 선행된다. 그런데, 이러한 방법은 소거 또는 기록 횟수 데이터를 저장하는 별도의 공간이 필요하고 소거 또는 기록 횟수에 기초하여 기록할 메모리 블록을 선정하는 과정이 필요하기 때문에, 플래시 메모리의 자원이 낭비될 수 있고 메모리 블록 선정 과정에 시간이 걸려 플래시 메모리의 동작 속도가 떨어진다는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 플래시 메모리의 메모리 블록의 마모를 전체 블록에 대해 균등하게 하면서도 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 기법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플래시 메모리의 수명을 연장하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 메모리 자원의 낭비와 동작 속도의 저하가 수반되지 않는 플래시 메모리 마모 균등화를 실현하는 것이다.
이러한 과제를 달성하기 위해 본 발명은 데이터를 기록할 메모리 블록을 논리 어드레스가 할당된 모든 메모리 블록에 대해 균등하게 선택될 수 있도록 하는 블록 균등 분산 기법을 사용한다. 예컨대, 각각 복수의 섹터를 포함하는 복수의 메모리 블록으로 이루어진 플래시 메모리에서 데이터의 소거는 블록 단위로 이루어지고, 데이터의 쓰기와 읽기는 섹터 단위로 이루진다고 할 때, 제1 메모리 블록을 지정하는 논리 어드레스에 대해 이를 임시 블록(또는 프리 블록)에 해당하는 물리 어드레스로 변환하여 이 물리 어드레스에 의해 지정된 임시 블록(제2 메모리 블록)에 데이터를 기록한다. 연속되는 그 다음 기록 동작에서는 제1 메모리 블록을 소거하여 임시 블록으로 만들고 논리 어드레스에 의해 데이터를 기록하도록 지정된 제3 블록 대신 새롭게 임시 블록으로 선정된 제1 메모리 블록에 데이터를 기록한다. 호스트 시스템이 유휴 상태일 때, 균등 난수를 이용하여 새롭게 임시 블록으로 지정할 블록을 찾고, 그 다음 데이터 기록 동작에서는 이 임시 블록에 데이터를 기록한다.
본 발명에서는 데이터를 기록할 수 있는 모든 메모리 블록을 상대로 임시 블록을 선정하기 때문에 임시 블록으로 선정되어 데이터가 기록될 빈도수는 모든 메모리 블록에 대해 균등하게 되므로, 플래시 메모리의 소거 동작으로 인한 마모가 전체 메모리 블록에 대핸 균등하게 분산되도록 할 수 있다.
이하 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
실시예
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 시스템의 전체 구조를 나타낸다.
도 1에서 호스트 시스템(10)은 컴퓨터 시스템이 될 수도 있고, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 디지털 음성 녹음기 등 휴대용 전자기기가 될 수도 있다. 호스트 시스템(10)은 메모리 제어기(20; memory controller)를 통해 플래시 메모리(100)를 제어한다. 메모리 제어기(20)는 본 발명에 따른 블록 균등 분산 기법이 적용된 방식으로 플래시 메모리(100)를 제어한다. 호스트 시스템(10)은 메모리 제어기(20)에게 플래시 메모리의 데이터를 기록할 장소를 지정하는 논리 어드레스를 메모리 제어기(20)에게 전달한다. 메모리 제어기(20)는 전달받은 논리 어드레스를 물리 어드레스로 변환한다.
메모리 제어기(20)는 호스트 버스를 통해 호스트 시스템(10)과 연결되고 플래시 버스를 통해 플래시 메모리(100)와 연결된다. 호스트 버스는 USB 버스가 될 수 있다. 도면을 간단하게 하기 위해 세부 구성을 도시하지는 않았지만, 메모리 제어기(20)는 예컨대 제어 회로, USB 제어 블록, 플래시 제어 블록, ECC 블록(Error Coding and Correction), 데이터 버퍼, MMU (Memory Management Unit) 등을 포함한다. 메모리 제어기(20)의 플래시 제어 블록은 플래시 메모리(100)에게 칩 선택 신호(CE)와 제어 신호 및 I/O 신호를 공급하고 플래시 메모리로부터 상태 신호(R/B; Ready/Busy) 신호를 받는다. I/O 신호로는 데이터, 어드레스, 명령 신호가 포함되며 이 신호들은 시차를 두고 플래시 메모리(100)에 공급된다.
플래시 메모리(100)는 복수의 블록(32, 34, 36)(도 1의 예에서는 블록 0 ∼ 블록 N)으로 구성된다. 여기서 N은 예컨대, 1,024 또는 2,048이 될 수 있는데, 하나의 메모리 블록은 복수의 섹터(40)(도 1의 예에서는 섹터 0 ∼ 섹터 K)로 구성된다. 여기서 K는 예컨대 64이다.
본 발명에서 플래시 메모리(100)에 대한 데이터 읽기와 쓰기는 도 2에 나타낸 바와 같은 단위로 이루어질 수 있는데, 하나의 메모리 블록은 예컨대, 2K-바이트의 사용자 데이터 영역(102)과 64-바이트의 ECC 데이터 영역(102)으로 구성되거나, 512-바이트의 사용자 데이터 영역(102)과 8-바이트의 ECC 데이터 영역(102)으로 구성될 수 있다. 메모리 제어기(20)로부터 공급되는 데이터는 플래시 메모리(100) 또는 메모리 제어기(20)의 I/O 버퍼(50)에 예컨대, 2K+64-바이트가 직렬 데이터 입력된다. I/O 버퍼(50)에서 메모리 블록의 섹터(40)로 데이터를 가져오는 것이 기록 또는 프로그램 동작이고, 이와 반대로 섹터(40)에 있는 데이터를 I/O 버퍼(50)로 옮기는 동작이 읽기 동작이다. 어느 메모리 블록에 있는 데이터를 지우는 것이 소거 동작인데, 도 2에 나타낸 것처럼 프로그램 단위는 섹터 단위로 이루어지는 반면 소거 동작은 블록 단위로 이루어진다.
도 3a∼3d는 본 발명의 블록 균등 분산 기법에 따른 프로그램/소거 동작이 이루어지는 과정을 나타내는 블록도이다. 도 3의 예는 데이터를 순차적으로 기록하도록 논리 어드레스가 블록 1과 블록 2를 지정하여 데이터 기록 명령이 입력된 후 다른 블록에 데이터를 기록하는 동작을 중심으로 설명한다.
도 3a를 참조하면, 호스트(10)로부터 데이터를 기록할 장소를 지정하는 논리 어드레스(LA; Logical Address)를 메모리 제어기(20)가 전달받는다. 도 3a의 예에서 논리 어드레스는 블록 1에 데이터를 기록하도록 지정한다. 메모리 제어기(20)는 플래시 메모리(100)의 블록 상태 테이블(도시 아니함)을 참조로 데이터를 기록할 수 있는 메모리 블록의 섹터를 지정하는 물리 어드레스(PA; Physical Address)로 논리 어드레스를 변환한다. 여기서, 변환된 물리 어드레스는 임시 블록(즉, 블록 6)을 지정한다. 여기서, 임시 블록이란 소거 동작을 선행하지 아니하고 곧바로 데이터를 기록할 수 있는 프리 블록(free block)을 말한다. 메모리 제어기(20)는 호스트(10)로부터 기록할 데이터를 전달받고, 메모리 제어기(20)는 호스트(10)로부터 전달받은 데이터를 임시 블록 6에 기록한다. 논리 어드레스에 의해 데이터를 기록하도록 지정된 블록 1 대신에 실제로는 블록 6에 데이터가 기록되었으므로, 이제 논리 어드레스 블록 1은 물리 어드레스 블록 6과 대응된다. 그 다음, 블록 1의 데이터를 소거하여 블록 1을 임시 블록으로 만든다.
다음으로 도 3b를 참조하면, 호스트에서 블록 2를 논리 어드레스로 지정하여 데이터 쓰기 명령을 메모리 제어기(20)에 전달한다. 메모리 제어기(20)에 의해 변환된 물리 어드레스는 플래시 메모리(100)의 임시 블록 (즉, 블록 1)이고 여기에 데이터가 기록된다. 도 3a의 예와 마찬가지로, 논리 어드레스 블록 2는 물리 어드레스 블록 1에 대응된다.
그 다음 본 발명의 마모 최적화 기법에 따른 랜덤 함수(random function)를 이용하여 소거할 블록을 찾는다(즉, 임시 블록으로 만들 블록을 찾는다). 본 발명의 랜덤 함수는 예컨대, 균일 난수(uniform random number)를 생성한 후 이것을 플래시 메모리(100)의 블록 어드레스와 대응시켜 하나의 메모리 블록을 지정하도록 한다. 여기서, 균일 난수에 대응될 수 있는 메모리 블록은 논리 어드레스가 할당된 모든 블록을 포함한다. 예컨대, 0부터 1까지의 범위에서 발생 빈도수가 균일한 난수를 생성하고, 생성된 난수에 대응되는 메모리 블록을 물리 어드레스로 지정하여 임시 블록으로 만든다. 이러한 랜덤 함수를 이용하면, 메모리 블록 전체에 대한 분산의 동질성을 얻을 수 있다. 예를 들어, 플래시 메모리(100)의 블록 1이 데이터를 기록할 블록으로 지정될 빈도수(frequency)를 η1이라 할 때 그 누적 빈도수는 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
그런데, 블록 2가 지정될 될 빈도수 η2에 대한 누적 빈도수는 k가 일정한 값 이상일 때 η1에 대한 누적 빈도수와 동일하게 된다. 이것은 플래시 메모리(100)의 모든 블록에 대해서 마찬가지이므로 결국 메모리 블록 전체에 대하여 블록 마모가 균일하게 분산되는 결과를 얻을 수 있다.
도 3c에 나타낸 예에서는, 본 발명의 블록 균등 분산 기법을 적용하여 데이터를 기록할 메모리 블록으로 블록 5가 지정된다. 랜덤 함수에 의해 지정된 블록 5에 대해서 블록 소거 동작을 진행한다. 이와 같이 블록 5가 소거되면 이 블록 5는 프리 블록(즉, 임시 블록)이 되므로 나중에 데이터 기록 명령이 들어온 경우 메모리 제어기(20)는 블록 소거 동작을 되풀이하지 않고 블록 5에 곧바로 데이터를 프로그램할 수 있다. 이러한 블록 균등 분산 기법의 적용은 플래시 메모리(100)에 대한 데이터 기록 동작이 끝난 후 호스트 시스템(10)이 유휴 상태(idle state)일 때 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 연속적인 데이터 기록 동작이 수행된 경우 마지막으로 데이터가 기록되었던 하나의 블록에 대해서만 마모 균등화 기법을 적용하여 그 블록의 데이터를 랜덤 함수에 의해 지정된 블록의 데이터와 교체하는 것이 바람직하다.
다음으로 호스트 시스템(10)이 동작 상태로 복구하여, 도 3d에 나타낸 것처럼, 호스트(10)로부터 데이터 기록 명령이 온 경우 메모리 제어기(20)는 본 발명의 마모 균등화 기법에 의해 지정된 임시 블록 5를 지정하도록 논리 어드레스를 물리 어드레스로 변환하고 블록 5의 해당 섹터에 데이터를 기록한다. 이 경우, 곧 바로 블록 5에 데이터를 기록한다.
이상 도면을 참조로 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하였으나, 이것은 발명의 이해와 재현을 쉽게 하도록 하기 위한 설명에 지나지 아니하며 본 발명의 범위를 도면에 나타낸 예로 제한하기 위한 것은 아니다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정해지는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 위 실시예를 다양하게 변형하고 수정할 수 있는 바, 이러한 변형과 수정은 본 발명의 범위에 포함된다.
앞서 설명한 것처럼, 본 발명에서는 특정 메모리 블록에 대한 기록 동작과 소거 동작의 발생 빈도수가 모든 메모리 블록에 대해 동일하므로, 어느 특정 메모리 블록이 과다하게 많이 마모되는 일이 생기지 않는다. 따라서, 플래시 메모리의 수명을 늘릴 수 있고, 종래의 마모 균등화 기법과는 달리 메모리 블록의 기록 횟수나 소거 횟수 데이터를 저장하기 위한 자원의 손실이 생기지 아니하고 기록 횟수나 소거 횟수를 판단하는 과정이 생략되므로 동작 속도가 떨어지지 않으면서 메모리 블록의 마모 균등화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 시스템의 전제 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 플래시 메모리의 데이터 읽기 동작, 소거 동작, 기록 동작을 설명하기 위한 구조도.
도 3은 본 발명의 블록 균등 분산 기법에 따른 데이터 기록 동작과 소거 동작 및 교체 동작을 설명하기 위한 개략도.

Claims (5)

  1. 플래시 메모리를 포함하는 데이터 저장 장치로서,
    상기 플래시 메모리는 복수의 메모리 블록을 포함하고, 상기 복수의 메모리 블록 각각은 복수의 섹터를 포함하며,
    상기 데이터 저장 장치는, 호스트 시스템으로부터 논리 어드레스를 받아 물리 어드레스로 변환하며 상기 플래시 메모리에 대해 상기 메모리 블록 단위로 데이터를 소거하고, 상기 섹터 단위로 플래시 메모리에 대한 데이터 읽기 동작과 데이터 쓰기 동작을 제어하는 메모리 제어기를 포함하며,
    상기 메모리 제어기는 제1 메모리 블록에 대한 데이터 기록 동작이 종료한 다음 균일 난수에 대응되는 제2 메모리 블록을 지정하고 이 지정된 제2 메모리 블록에 대해서는 데이터 소거 동작을 진행하며, 다음 데이터 기록은 상기 제2 메모리 블록에 대해 수행하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 메모리 블록에 대한 데이터 기록은, 논리 어드레스가 제3 메모리 블록을 지정한 경우 이 논리 어드레스를 제2 메모리 블록을 변경하고 제2 메모리에 데이터를 기록한 다음 제3 메모리의 데이터를 소거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 균일 난수에 대응되는 제2 메모리 블록의 지정은 상기 호스트 시스템이 유휴 상태일 때 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 메모리 블록은 복수의 메모리 블록에 대한 연속적인 데이터 기록 동작 중 가장 마지막 데이터 기록 동작이 수행된 메모리 블록인 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  5. 복수의 섹터를 각각 포함하는 복수의 메모리 블록으로 된 플래시 메모리에 대한 블록 균등 분산 방법으로서,
    상기 플래시 메모리는, 호스트 시스템으로부터 논리 어드레스를 받아 물리 어드레스로 변환하고 플래시 메모리에 대해 메모리 블록 단위로 데이터를 소거하고, 섹터 단위로 플래시 메모리에 대한 데이터 읽기 동작과 데이터 쓰기 동작을 지시하는 메모리 제어기에 의해 제어되며,
    상기 블록 균등 분산 방법은
    상기 플래시 메모리의 제1 메모리 블록에 대한 데이터 기록 동작을 수행하는 단계와,
    제1 메모리 블록에 대한 기록 동작이 종료한 다음 균일 난수에 대응되는 제2 메모리 블록을 지정하는 단계와,
    상기 지정된 제2 메모리 블록에 대해서 데이터 소거 동작을 진행하는 단계와,
    상기 제2 메모리 블록에 대해 데이터 기록 동작을 수행하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 블록 균등 분산 방법.
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