KR20230094110A - 스토리지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치는, 복수의 비휘발성 메모리들을 포함하고, 상기 복수의 비휘발성 메모리들 각각에 포함된 메모리 블록들로 복수의 슈퍼블록들을 구성하는 메모리 장치; 및 상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 호스트로부터의 데이터를 프로그램하기 위해 상기 복수의 슈퍼블록들 중에서 제1 슈퍼블록을 이레이즈하고, 상기 제1 슈퍼블록에 데이터를 프로그램하고, 상기 제1 슈퍼블록을 가비지 콜렉션 동작을 위한 희생 슈퍼블록으로 선택하며, 상기 제1 슈퍼블록이 이레이즈된 제1 시점 및 상기 제1 슈퍼블록이 상기 희생 슈퍼블록으로 선택된 제2 시점의 간격인 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 수행한다.

Description

스토리지 장치{STORAGE DEVICE}

본 발명은 비휘발성 메모리를 포함하는 스토리지 장치에 관한 것이다.

반도체 메모리는 휘발성 메모리 장치 및 비휘발성 메모리 장치로 구분된다. 휘발성 메모리 장치는 파워가 차단되면 저장된 데이터를 잃지만, 비휘발성 메모리는 파워가 차단되더라도 저장된 데이터를 보존할 수 있다. 비휘발성 메모리는 ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리, PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM) 등을 포함한다.

비휘발성 메모리의 메모리 셀들에 데이터가 프로그램된 후 시간이 지나면, 상기 메모리 셀들의 문턱전압 분포가 열화되고, 상기 메모리 셀들로부터 리드되는 데이터의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 상기 리드되는 데이터의 신뢰성을 유지하기 위해, 스토리지 장치는 상기 비휘발성 메모리에 대한 방어 로직을 구동할 수 있다. 그러나, 스토리지 장치가 상기 방어 로직을 너무 자주 구동하는 것은, 스토리지 장치의 성능을 저하시키고 리드되는 데이터의 신뢰성을 오히려 떨어뜨릴 수도 있다.

본 발명은 비휘발성 메모리에 대한 방어 로직의 수행을 제어함으로써 스토리지 장치의 성능 저하를 최소화하면서 상기 비휘발성 메모리로부터 리드되는 데이터의 신뢰성을 개선할 수 있는 스토리지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 비휘발성 메모리의 텔레메트리 로그를 이용하여 방어 로직의 수행을 제어할 수 있는 스토리지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치는, 복수의 비휘발성 메모리들을 포함하고, 상기 복수의 비휘발성 메모리들 각각에 포함된 메모리 블록들로 복수의 슈퍼블록들을 구성하는 메모리 장치; 및 상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 호스트로부터의 데이터를 프로그램하기 위해 상기 복수의 슈퍼블록들 중에서 제1 슈퍼블록을 이레이즈하고, 상기 제1 슈퍼블록에 데이터를 프로그램하고, 상기 제1 슈퍼블록을 가비지 콜렉션 동작을 위한 희생 슈퍼블록으로 선택하며, 상기 제1 슈퍼블록이 이레이즈된 제1 시점 및 상기 제1 슈퍼블록이 상기 희생 슈퍼블록으로 선택된 제2 시점의 간격인 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 수행한다.

본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치는, 복수의 비휘발성 메모리들을 포함하고, 상기 복수의 비휘발성 메모리들 각각에 포함된 메모리 블록들로 복수의 슈퍼블록들을 구성하는 메모리 장치; 및 상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 호스트로부터의 데이터를 프로그램하기 위해 상기 복수의 슈퍼블록들 중에서 선택된 슈퍼블록을 이레이즈하고, 상기 이레이즈된 슈퍼블록에 데이터를 프로그램하고, 상기 데이터가 프로그램된 슈퍼블록을 가비지 콜렉션 동작을 위한 희생 슈퍼블록으로 선택하며, 상기 복수의 슈퍼블록들 중 제1 슈퍼블록이 이레이즈된 제1 시점과 상기 제1 슈퍼블록이 상기 희생 슈퍼블록으로 결정된 제2 시점이 하나의 파워 온 기간에 포함된 경우, 상기 제1 슈퍼블록의 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 간격인 데이터 지속시간 정보에 기초하여 상기 복수의 슈퍼블록들의 데이터 지속시간의 통계정보를 포함하는 텔레메트리 로그를 업데이트하고, 상기 텔레메트리 로그에 기초하여 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 데이터 지속시간의 임계값을 조정한다.

본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치는, 복수의 메모리 블록들을 포함하는 메모리 장치; 및 상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 메모리 블록들 중 어떤 메모리 블록에 데이터가 프로그램된 후 상기 데이터가 무효화되기까지의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우에 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 수행하며, 상기 복수의 메모리 블록들의 데이터 지속시간에 대한 통계정보를 생성하고, 상기 통계정보에 기초하여 상기 미디어 스캔 동작이 트리거되는 기준을 조정한다.

본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치는, 비휘발성 메모리들에 저장되는 데이터의 지속시간에 기초하여 불필요한 미디어 스캔 동작이 수행되는 횟수를 줄일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치는, 비휘발성 메모리들의 텔레메트리 로그를 이용하여 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 기준을 조정함으로써 스토리지 장치의 입출력 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치를 포함하는 호스트-스토리지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 스토리지 장치에 포함되는 컨트롤러를 상세히 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 스토리지 장치를 상세히 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 5는 비휘발성 메모리를 더욱 자세히 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 내지 도 7은 비휘발성 메모리에 포함된 메모리 셀들의 문턱 전압 분포를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 미디어 스캔 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 데이터 지속시간을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 텔레메트리 로그 업데이트 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시 예에 따라 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 기준을 조정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도들이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 호스트-스토리지 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 15a 내지 도 15b는 본 발명의 실시 예에 따른 텔레메트리 로그의 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 16은 비휘발성 메모리에 포함된 메모리 셀들의 문턱 전압 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 18은 슈퍼블록의 리드 횟수 및 리드 누적시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 호스트-스토리지 장치를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치가 적용된 시스템을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치를 포함하는 호스트-스토리지 시스템을 나타내는 도면이다.

호스트-스토리지 시스템(10)은 호스트(100) 및 스토리지 장치(200)를 포함할 수 있다. 또한, 스토리지 장치(200)는 컨트롤러(210) 및 메모리 장치(220)를 포함할 수 있다.

호스트(100)는 전자 장치, 예를 들어 휴대폰, MP3 플레이어, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자 장치들, 또는 데스크탑 컴퓨터, 게임기, TV, 프로젝터 등과 같은 전자 장치들을 포함할 수 있다. 호스트(100)는 적어도 하나의 운영 체제(OS: operating system)를 포함할 수 있다. 운영 체제는 호스트(100)의 기능 및 동작을 전반적으로 관리 및 제어할 수 있다.

스토리지 장치(200)는 호스트(100)로부터의 요청에 따라 데이터를 저장하기 위한 저장 매체들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 스토리지 장치(200)는 SSD(Solid State Drive), 임베디드(embedded) 메모리 및 착탈 가능한 외장(external) 메모리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 스토리지 장치(200)가 SSD인 경우, 스토리지 장치(200)는 NVMe(non-volatile memory express) 표준을 따르는 장치일 수 있다. 스토리지 장치(200)가 임베디드 메모리 혹은 외장(external) 메모리인 경우, 스토리지 장치(200)는 UFS(universal flash storage) 혹은 eMMC(embedded multi-media card) 표준을 따르는 장치일 수 있다. 호스트(100)와 스토리지 장치(200)는 각각 채용된 표준 프로토콜에 따른 패킷을 생성하고 이를 전송할 수 있다.

메모리 장치(220)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 데이터를 유지할 수 있다. 메모리 장치(220)는 프로그램 동작을 통해 호스트(100)로부터 제공된 데이터를 저장할 수 있고, 리드 동작을 통해 메모리 장치(220)에 저장된 데이터를 출력할 수 있다. 메모리 장치(220)는 메모리 셀들을 포함하는 복수의 메모리 블록들을 포함할 수 있다.

메모리 장치(220)가 플래시 메모리를 포함할 때, 상기 플래시 메모리는 2D NAND 메모리 어레이나 3D(또는 수직형, Vertical) NAND(VNAND) 메모리 어레이를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 스토리지 장치(200)는 다른 다양한 종류의 비휘발성 메모리들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 스토리지 장치(200)에는 MRAM(Magnetic RAM), 스핀전달토크 MRAM(Spin-Transfer Torgue MRAM), Conductive bridging RAM(CBRAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), PRAM(Phase RAM), 저항 메모리(Resistive RAM) 및 다른 다양한 종류의 메모리가 적용될 수 있다.

컨트롤러(210)는 호스트(100)로부터의 요청에 응답하여 메모리 장치(220)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)로부터 리드된 데이터를 호스트(100)로 제공하고, 호스트(100)로부터 제공된 데이터를 메모리 장치(220)에 저장할 수 있다. 이러한 동작을 위해, 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)의 리드(read), 프로그램(program), 이레이즈(erase) 등의 동작을 제어할 수 있다.

컨트롤러(210)는 리드, 프로그램 및 이레이즈 동작을 제어할뿐만 아니라, 메모리 장치(220)에 대한 방어 로직을 구동할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(220)의 메모리 셀들에 데이터가 프로그램된 후 시간이 오래 지나면, 상기 메모리 셀들의 문턱 전압 분포가 열화될 수 있으며, 상기 메모리 셀들로부터 리드되는 데이터의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 따라서, 컨트롤러(210)는 메모리 셀들로부터 리드되는 데이터의 신뢰성을 유지하기 위해 미디어 스캔 동작을 주기적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 미디어 스캔 동작은 컨트롤러(210)가 호스트(100)의 요청이 없어도 메모리 블록 내의 임의의 페이지 또는 미리 정해진 페이지로부터 데이터를 리드하고, 리드된 데이터의 에러 비트의 수가 임계값을 넘는 경우 상기 메모리 블록에 저장된 데이터를 다른 메모리 블록에 라이트하는 동작을 지칭할 수 있다. 미디어 스캔 동작의 예로, 메모리 장치(200)의 물리 주소를 기준으로 메모리 블록들의 페이지를 리드하는 패트롤 리드(Patrol Read)동작, 논리 주소를 기준으로 메모리 블록들의 페이지를 리드하는 BMS(Background Media Scan) 동작 등이 있다.

호스트(100)의 워크로드가 핫 데이터 위주의 워크로드인 경우, 스토리지 장치(200)에 저장되는 데이터는 자주 업데이트될 수 있다. 스토리지 장치(200)에 저장되는 데이터가 업데이트될 때마다, 메모리 셀들에 프로그램된 기존 데이터는 무효화되고 업데이트된 데이터가 다른 메모리 셀들에 프로그램될 수 있다. 따라서, 호스트(100)의 워크로드가 핫 데이터 위주의 워크로드인 경우, 메모리 셀들의 문턱 전압 분포가 크게 열화되지 않을 수 있으며, 상기 메모리 셀들로부터 리드되는 데이터의 신뢰성이 유지될 수 있다.

한편, 미디어 스캔 동작은 메모리 블록의 리드 동작을 수반할 수 있다. 따라서, 미디어 스캔 동작은 스토리지 장치(200)의 데이터 입출력 동작의 지연을 유발할 수 있으며, 리드 디스터브 현상을 유발할 수도 있다. 메모리 셀들로부터 리드되는 데이터의 신뢰성이 유지될 수 있는 경우에 스토리지 장치(200)가 미디어 스캔 동작을 수행하는 것은, 오히려 스토리지 장치(200)의 성능 및 신뢰성을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 스토리지 장치(200)는 메모리 셀들에 데이터가 프로그램된 후 무효화되기까지 걸리는 시간인 데이터 지속시간에 기초하여 미디어 스캔 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 메모리 블록에 데이터를 프로그램하기 위해 메모리 블록을 이레이즈한 시점 및 상기 메모리 블록에 프로그램된 데이터가 전부 무효화되는 시점에 기초하여 데이터 지속시간을 결정할 수 있다. 그리고, 컨트롤러(210)는 메모리 블록의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우에 메모리 장치(220)에 대한 미디어 스캔 동작을 수행하고, 그렇지 않은 경우에는 미디어 스캔 동작을 스킵할 수 있다.

그리고, 컨트롤러(210)는 메모리 블록들의 데이터 지속시간에 대한 통계정보를 텔레메트리 로그로서 관리하고, 상기 통계정보에 기초하여 상기 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 임계값을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 상기 통계정보에 기초하여 데이터 지속시간이 짧아지는 경향을 검출하면 상기 임계값을 증가시킴으로써 미디어 스캔 동작이 보다 드물게 트리거되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 스토리지 장치(200)는 호스트(100)와의 입출력 동작만으로도 메모리 장치(220)로부터 리드되는 데이터의 신뢰성이 유지될 수 있는 경우에는 미디어 스캔 동작을 수행하지 않음으로써 성능 및 신뢰성을 최적화할 수 있다.

도 2는 도 1의 스토리지 장치에 포함되는 컨트롤러를 상세히 나타내는 도면이다.

컨트롤러(210)는 커맨드 처리부(211), 에러 정정부(212), 가비지 콜렉션부(213), 데이터 지속시간 측정부(214), 텔레메트리 로그 관리부(215) 및 미디어 관리부(216)를 포함할 수 있다.

커맨드 처리부(211)는 호스트(100)로부터 수신된 리드 커맨드 또는 라이트 커맨드에 응하여 메모리 장치(220)의 리드 동작 또는 프로그램 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 커맨드 처리부(211)는 호스트(100)로부터 리드 커맨드 또는 라이트 커맨드와 함께 수신된 논리 주소를 메모리 장치(220)에서 사용되는 물리 주소로 변환하고, 상기 물리 주소가 가리키는 메모리 영역에 대한 리드 동작 또는 프로그램 동작을 제어할 수 있다.

에러 정정부(212)는 메모리 장치(220)로부터 리드되는 데이터의 에러를 검출 및 정정할 수 있다. 구체적으로, 에러 정정부(212)는 메모리 장치(220)에 프로그램될 데이터에 대한 에러 정정 인코딩을 수행함으로써 상기 데이터에 패리티를 부가할 수 있다. 그리고, 에러 정정부(212)는 메모리 장치(220)로부터 리드되는 데이터에 포함된 패리티를 이용하여 에러 정정 디코딩을 수행함으로써 상기 리드되는 데이터의 에러를 검출 및 정정할 수 있다.

가비지 콜렉션부(213)는 메모리 장치(220)의 여유공간을 확보하기 위한 가비지 콜렉션 동작을 수행할 수 있다. 덮어쓰기 동작을 지원하지 않는 메모리 장치(220)의 한계를 극복하기 위해, 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)에 프로그램된 데이터를 업데이트하기 위해 기존에 프로그램된 데이터를 무효화하고, 업데이트된 데이터를 다른 메모리 영역에 프로그램할 수 있다. 메모리 장치(220)에서 무효화된 데이터의 양이 증가하는 경우, 유효한 데이터를 프로그램할 수 있는 여유공간의 크기가 줄어들 수 있다. 따라서, 가비지 콜렉션부(213)는 메모리 장치(220)의 희생 메모리 블록들에 흩어져 있는 유효한 데이터를 모아서 다른 메모리 블록에 프로그램하고, 상기 희생 메모리 블록들에 프로그램된 데이터를 이레이즈함으로써 여유공간을 확보할 수 있다.

데이터 지속시간 측정부(214)는 미디어 스캔 동작을 제어하기 위해, 메모리 장치(220)의 메모리 블록이 프로그램 동작을 위해 이레이즈된 후 상기 메모리 블록에 데이터가 프로그램되고, 상기 프로그램된 데이터가 무효화되기까지의 시간을 결정할 수 있다. 데이터 지속시간은 메모리 블록별로, 혹은 메모리 블록들의 집합인 슈퍼블록별로 결정될 수 있다. 슈퍼블록에 대해서는 도 3을 참조하여 후술되며, 데이터 지속시간을 결정하는 방법은 도 9를 참조하여 후술된다.

텔레메트리 로그 관리부(215)는 스토리지 장치(200)의 텔레메트리 로그를 수집할 수 있다. 텔레메트리 로그는 스토리지 장치(200)의 헬스 모니터링 정보, 성능 정보 등을 포함할 수 있다. 텔레메트리 로그는 스토리지 장치(200)의 외부로 출력되고, 스토리지 장치(200)의 제조사에 의해 획득될 수 있다. 텔레메트리 로그는 스토리지 장치(200)의 기능성과 신뢰성을 개선하기 위해 이용될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 텔레메트리 로그 관리부(215)는 데이터 지속시간에 대한 통계정보를 관리할 수 있다. 컨트롤러(210)는 상기 통계정보를 스토리지 장치(200) 외부로 출력할 수도 있으며, 상기 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 임계값을 조정하기 위해 이용할 수도 있다.

미디어 관리부(216)는 메모리 장치(220)에 저장된 데이터의 신뢰성을 유지하기 위한 방어 로직을 구동할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 미디어 관리부(216)는 스토리지 장치(220)의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우에 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다.

커맨드 처리부(211), 에러 정정부(212), 가비지 콜렉션부(213), 데이터 지속시간 측정부(214), 텔레메트리 로그 관리부(215) 및 미디어 관리부(216)는 컨트롤러(210)에 포함된 메모리에 로드되어 컨트롤러(210)에 포함된 프로세서에서 구동되는 펌웨어로 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 에러 정정부(212)는 에러 정정 인코딩 및 디코딩을 수행하기 위한 에러 정정 코드 회로를 포함할 수 있다.

도 3은 도 1의 스토리지 장치를 상세히 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하여 설명된 바에 따르면, 스토리지 장치(200)는 컨트롤러(210) 및 메모리 장치(220)를 포함할 수 있다. 메모리 장치(220)는 복수의 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24)을 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24) 각각은 대응하는 웨이(way)를 통해 복수의 채널들(CH1, CH2) 중 하나에 연결될 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM14)은 웨이들(W11-W14)을 통해 제1 채널(CH1)에 연결되고, 비휘발성 메모리들(NVM21-NVM24)은 웨이들(W21-W24)을 통해 제2 채널(CH2)에 연결될 수 있다.

예시적인 실시 예에서, 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24) 각각은 컨트롤러(210)로부터의 개별적인 커맨드에 따라 동작할 수 있는 임의의 메모리 단위로 구현될 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24) 각각은 칩(chip) 또는 다이(die)로 구현될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 그리고, 스토리지 장치(200)에 포함되는 채널들의 개수 및 각 채널에 연결되는 비휘발성 메모리들의 개수 또한 제한되지 않는다.

컨트롤러(210)는 복수의 채널들(CH1, CH2)을 통해 메모리 장치(120)와 신호들을 송수신할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 채널들(CH1, CH2)을 통해 메모리 장치(220)로 커맨드들, 어드레스들 및 데이터를 전송하거나, 메모리 장치(220)로부터 데이터를 수신할 수 있다.

컨트롤러(210)는 각각의 채널을 통해 해당 채널에 연결된 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24) 중 하나를 선택하고, 선택된 비휘발성 메모리와 신호들을 송수신할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 제1 채널(CH1)에 연결된 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24) 중 비휘발성 메모리(NVM11)를 선택할 수 있다. 컨트롤러(210)는 제1 채널(CH1)을 통해 선택된 비휘발성 메모리(NVM11)로 커맨드, 어드레스 및 데이터를 전송하거나, 선택된 비휘발성 메모리(NVM11)로부터 데이터를 수신할 수 있다.

컨트롤러(210)는 서로 다른 채널들을 통해 메모리 장치(120)와 신호들을 병렬적으로 송수신할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 제1 채널(CH1)을 통해 메모리 장치(220)로 커맨드를 전송하는 동안 제2 채널(CH2)을 통해 메모리 장치(120)로 다른 커맨드를 전송할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 제1 채널(CH1)을 통해 메모리 장치(220)로부터 데이터를 수신하는 동안, 제2 채널(CH2)을 통해 메모리 장치(220)로부터 다른 데이터를 수신할 수 있다.

동일한 채널을 통해 컨트롤러(210)와 연결된 비휘발성 메모리들 각각은 병렬적으로 내부 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 제1 채널(CH1)을 통해 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM14)로 커맨드 및 어드레스를 순차적으로 전송할 수 있다. 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM14)로 커맨드 및 어드레스가 전송되면, 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM14) 각각은 상기 커맨드에 따른 동작을 병렬적으로 수행할 수 있다.

비휘발성 메모리들(NVM11-NVM24)은 복수의 메모리 블록들을 포함할 수 있다. 도 3은 비휘발성 메모리들(NVM11-NVM14)에 포함된 메모리 블록들(BLK)을 도시한다. 메모리 장치(220)는 비휘발성 메모리들에 포함된 메모리 블록들(BLK)로 슈퍼블록(SB)을 구성할 수 있다. 컨트롤러(210)는 연속한 데이터를 슈퍼블록(SB)에 포함된 메모리 블록들(BLK)에 분산하여 저장할 수 있다. 슈퍼블록(SB)에 포함된 메모리 블록들(BLK)은 병렬적으로 액세스될 수 있으므로, 슈퍼블록(SB)에 연속한 데이터를 저장하는 경우 데이터의 프로그램 동작 및 리드 동작의 처리량(throughput)이 향상될 수 있다.

한편, 슈퍼블록(SB)에 포함되는 메모리 블록들(BLK)은 거의 동시에 프로그램되고 동시에 이레이즈될 수 있으므로, 메모리 블록들(BLK)과 연관된 관리 데이터들은 슈퍼블록(SB) 단위로 관리될 수 있다. 예를 들어, 메모리 블록들의 마모도(wearout degree), 리드 횟수, 데이터 지속시간 등의 데이터들이 슈퍼블록(SB) 단위로 관리될 수 있다.

도 4 내지 도 5는 비휘발성 메모리를 더욱 자세히 설명하기 위한 도면들이다.

도 4는 비휘발성 메모리를 나타내는 예시적인 블록도이다. 도 2를 참조하면, 비휘발성 메모리(300)는 제어 로직 회로(320), 메모리 셀 어레이(330), 페이지 버퍼(340), 전압 생성기(350), 및 로우 디코더(360)를 포함할 수 있다. 도 4에는 도시되지 않았으나, 비휘발성 메모리(300)는 외부로부터 커맨드(CMD) 및 어드레스(ADDR)를 수신하고, 외부와 데이터(DATA)를 주고받기 위한 메모리 인터페이스 회로를 더 포함할 수 있고, 또한 컬럼 로직, 프리-디코더, 온도 센서, 커맨드 디코더, 어드레스 디코더 등을 더 포함할 수 있다.

제어 로직 회로(320)는 비휘발성 메모리(300) 내의 각종 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 제어 로직 회로(320)는 메모리 인터페이스 회로(310)로부터의 커맨드(CMD) 및/또는 어드레스(ADDR)에 응답하여 각종 제어 신호들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직 회로(320)는 전압 제어 신호(CTRL_vol), 로우 어드레스(X-ADDR), 및 컬럼 어드레스(Y-ADDR)를 출력할 수 있다.

메모리 셀 어레이(330)는 복수의 메모리 블록들(BLK1 내지 BLKz)을 포함할 수 있고(z는 양의 정수), 복수의 메모리 블록들(BLK1 내지 BLKz) 각각은 복수의 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(330)는 비트 라인들(BL)을 통해 페이지 버퍼부(340)에 연결될 수 있고, 워드 라인들(WL), 스트링 선택 라인들(SSL), 및 그라운드 선택 라인들(GSL)을 통해 로우 디코더(360)에 연결될 수 있다.

예시적인 실시 예에서, 메모리 셀 어레이(330)는 3차원 메모리 셀 어레이를 포함할 수 있고, 3차원 메모리 셀 어레이는 복수의 낸드 스트링들을 포함할 수 있다. 각 낸드 스트링은 기판 위에 수직으로 적층된 워드 라인들에 각각 연결된 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 미국 특허공개공보 제7,679,133호, 미국 특허공개공보 제8,553,466호, 미국 특허공개공보 제8,654,587호, 미국 특허공개공보 제8,559,235호, 및 미국 특허출원공개공보 제2011/0233648호는 본 명세서에 인용 형식으로 결합된다. 예시적인 실시 예에서, 메모리 셀 어레이(330)는 2차원 메모리 셀 어레이를 포함할 수 있고, 2차원 메모리 셀 어레이는 행 및 열 방향을 따라 배치된 복수의 낸드 스트링들을 포함할 수 있다.

페이지 버퍼(340)는 복수의 페이지 버퍼들(PB1 내지 PBn)을 포함할 수 있고(n은 3 이상의 정수), 복수의 페이지 버퍼들(PB1 내지 PBn)은 복수의 비트 라인들(BL)을 통해 메모리 셀들과 각각 연결될 수 있다. 페이지 버퍼(340)는 컬럼 어드레스(Y-ADDR)에 응답하여 비트 라인들(BL) 중 적어도 하나의 비트 라인을 선택할 수 있다. 페이지 버퍼(340)는 동작 모드에 따라 기입 드라이버 또는 감지 증폭기로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 프로그램 동작 시, 페이지 버퍼(340)는 선택된 비트 라인으로 프로그램될 데이터에 대응하는 비트 라인 전압을 인가할 수 있다. 독출 동작 시, 페이지 버퍼(340)는 선택된 비트 라인의 전류 또는 전압을 감지하여 메모리 셀에 저장된 데이터를 감지할 수 있다.

전압 생성기(350)는 전압 제어 신호(CTRL_vol)를 기반으로 프로그램, 독출, 및 소거 동작들을 수행하기 위한 다양한 종류의 전압들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전압 생성기(350)는 워드 라인 전압(VWL)으로서 프로그램 전압, 독출 전압, 프로그램 검증 전압, 소거 전압 등을 생성할 수 있다.

로우 디코더(360)는 로우 어드레스(X-ADDR)에 응답하여 복수의 워드 라인들(WL) 중 하나를 선택할 수 있고, 복수의 스트링 선택 라인들(SSL) 중 하나를 선택할 수 있다. 예를 들어, 프로그램 동작 시, 로우 디코더(360)는 선택된 워드 라인으로 프로그램 전압 및 프로그램 검증 전압을 인가하고, 독출 동작 시, 선택된 워드 라인으로 독출 전압을 인가할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스토리지 장치에 적용될 수 있는 3D V-NAND 구조에 대해 설명하기 위한 도면이다. 스토리지 장치의 비휘발성 메모리가 3D V-NAND 타입의 플래시 메모리로 구현될 경우, 비휘발성 메모리를 구성하는 복수의 메모리 블록 각각은 도 5에 도시된 바와 같은 등가 회로로 표현될 수 있다.

도 5에 도시된 메모리 블록(BLKi)은 기판 상에 삼차원 구조로 형성되는 삼차원 메모리 블록을 나타낸다. 예를 들어, 메모리 블록(BLKi)에 포함되는 복수의 메모리 낸드 스트링들은 상기 기판과 수직한 방향으로 형성될 수 있다.

도 5를 참조하면, 메모리 블록(BLKi)은 비트 라인들(BL1, BL2, BL3)과 공통 소스 라인(CSL) 사이에 연결되는 복수의 메모리 낸드 스트링들(NS11~NS33)을 포함할 수 있다. 복수의 메모리 낸드 스트링들(NS11~NS33) 각각은 스트링 선택 트랜지스터(SST), 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2, ..., MC8) 및 접지 선택 트랜지스터(GST)를 포함할 수 있다. 도 5에는 복수의 메모리 낸드 스트링들(NS11~NS33) 각각이 8개의 메모리 셀들(MC1, MC2, ..., MC8)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

스트링 선택 트랜지스터(SST)는 상응하는 스트링 선택 라인(SSL1, SSL2, SSL3)에 연결될 수 있다. 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2, ..., MC8)은 각각 상응하는 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8)에 연결될 수 있다. 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8)은 워드 라인들에 해당할 수 있으며, 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8)의 일부는 더미 워드 라인에 해당할 수 있다. 접지 선택 트랜지스터(GST)는 상응하는 접지 선택 라인(GSL1, GSL2, GSL3)에 연결될 수 있다. 스트링 선택 트랜지스터(SST)는 상응하는 비트 라인들(BL1, BL2, BL3)에 연결되고, 접지 선택 트랜지스터(GST)는 공통 소스 라인(CSL)에 연결될 수 있다.

동일 높이의 워드 라인(예를 들면, WL1)은 공통으로 연결되고, 접지 선택 라인(GSL1, GSL2, GSL3) 및 스트링 선택 라인(SSL1, SSL2, SSL3)은 각각 분리될 수 있다. 도 5에는 메모리 블록(BLKi)이 여덟 개의 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8) 및 세 개의 비트 라인들(BL1, BL2, BL3)에 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 6 내지 도 7은 비휘발성 메모리에 포함된 메모리 셀들의 문턱 전압 분포를 설명하기 위한 도면들이다.

도 6은 이상적인 경우의 메모리 셀들의 문턱 전압 분포를 나타낸다.

메모리 셀들이 연결된 워드라인에 프로그램 전압이 인가되면, 메모리 셀들에 전하가 유입됨으로써 메모리 셀들의 문턱전압이 상승할 수 있다. 다수의 메모리 셀들 간의 미세한 전기적 특성의 차이로 인해, 동일한 데이터가 프로그램된 메모리 셀들 각각의 문턱전압은 일정한 범위의 문턱전압 분포를 형성한다. 도 6은 메모리 셀들이 3비트 데이터를 저장하는 TLC(Triple Level Cell)인 경우에, 메모리 셀들이 가질 수 있는 문턱전압 분포를 예시한다. 도 6을 참조하면, 그래프의 가로 축은 문턱전압의 크기, 세로 축은 메모리 셀들의 개수를 나타낸다.

메모리 셀은 이레이즈 상태(E) 및 제1 내지 제7 프로그램 상태들(P1-P7) 중 어느 하나의 상태에 해당하는 문턱전압을 가질 수 있다. 제1 내지 제7 리드 전압들(V1-V7)은 각각의 상태들을 구분하기 위한 리드 전압들일 수 있다. 예를 들어, 메모리 셀들이 연결된 워드라인에 제1 리드 전압(V1)을 인가하면, 제1 리드 전압(V1)보다 낮은 문턱전압을 갖는 제1 메모리 셀들이 연결된 비트라인에는 전류가 원활하게 흐를 수 있다. 즉, 상기 제1 메모리 셀들은 온 셀(on cell)로 리드될 수 있다. 반면에, 제1 리드 전압(V1)보다 높은 문턱전압을 갖는 제2 메모리 셀들이 연결된 비트라인에는 전류가 흐르지 않을 수 있다. 즉, 상기 제2 메모리 셀들은 오프 셀(off cell)로 리드될 수 있다.

메모리 셀들에 제1 리드 전압(V1)을 인가하면 이레이즈 상태(E)와 나머지 상태들이 구분될 수 있다. 마찬가지로, 제2 내지 제7 리드 전압들(V2-V7)을 더 인가하면, 이레이즈 상태(E)와 프로그램 상태들(P1-P7)이 모두 구분될 수 있다.

메모리 셀들이 TLC인 경우 메모리 셀들의 문턱 전압 상태들(E, P1-P7)에는 서로 다른 3비트 데이터가 매핑될 수 있다. 3비트 데이터의 각 비트는 MSB(Most Significant Bit), CSB(Central Significant Bit), LSB(Least Significant Bit)로 지칭될 수 있다.

메모리 셀들이 프로그램된 후 시간이 경과하면, 상기 메모리 셀들에 유입된 전하가 누설되면서 상기 메모리 셀들의 문턱전압이 낮아질 수 있다. 즉, 문턱전압 분포가 열화될 수 있다.

도 7은 메모리 셀들의 열화된 문턱전압 분포를 나타낸다.

도 7에서 그래프의 가로 축은 문턱전압의 크기, 세로 축은 메모리 셀들의 개수를 나타낸다. 도 7에서 실선으로 도시된 문턱전압 분포는 도 6을 참조하여 설명된 이상적인 문턱전압 분포와 동일할 수 있으며, 파선으로 도시된 문턱전압 분포는 열화된 문턱전압 분포일 수 있다.

메모리 셀들의 문턱전압 분포가 열화되면, 상기 메모리 셀들로부터 리드된 데이터의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 예를 들어, 문턱전압 분포가 열화되면, 제7 프로그램 상태(P7)를 갖도록 프로그램된 메모리 셀들 중 문턱전압이 제7 리드 전압(V7)보다 낮아지는 메모리 셀들이 발생할 수 있다. 상기 메모리 셀들이 연결된 워드라인에 제7 리드 전압(V7)을 인가하면, 제7 프로그램 상태(P7)를 갖도록 프로그램된 메모리 셀들 중 일부는 제6 프로그램 상태를 갖는 것으로 리드될 수 있다. 즉, 상기 메모리 셀들로부터 리드된 데이터가 에러를 포함할 수 있다.

메모리 셀들로부터 리드된 데이터가 에러를 포함하더라도, 컨트롤러(210)의 에러 정정부(212)에 의해 상기 에러가 정정될 수도 있다. 그러나, 상기 데이터에 포함된 에러 비트의 수가 상기 에러 정정부(212)가 정정할 수 있는 수준을 넘는 경우에는 상기 에러가 정정될 수 없으며, 컨트롤러(210)는 메모리 셀들로부터 리드된 데이터를 복원할 수 없다.

컨트롤러(210)는 메모리 셀들로부터 리드된 데이터가 복원될 수 없을 정도로 메모리 셀들의 문턱전압 분포가 열화되기 전에, 상기 메모리 셀들의 문턱전압 분포를 회복하기 위한 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다.

도 8은 미디어 스캔 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

단계 S11에서, 컨트롤러(210)는 미디어 스캔 동작을 수행할 대상이 되는 타겟 메모리 블록에서, 정해진 위치의 페이지들을 리드하도록 메모리 장치(220)를 제어할 수 있다. 즉, 타겟 메모리 블록에 포함된 페이지들 중 일부의 페이지들이 리드될 수 있다. 상기 페이지들에는 제1 내지 제7 리드 전압들(V1-V7) 중 전부 또는 일부의 리드 전압들이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 페이지들 중 제1 페이지에는 리드 전압들(V1-V7) 중 MSB를 구별하기 위한 리드 전압들이 인가되고, 제2 페이지에는 리드 전압들(V1-V7) 중 LSB를 구별하기 위한 리드 전압들이 인가될 수 있다.

단계 S12에서, 컨트롤러(210)는 상기 페이지들로부터 리드된 데이터의 에러 검출 및 정정을 수행할 수 있다. 컨트롤러(210)가 상기 데이터의 에러 검출 및 정정을 수행하면 상기 데이터의 에러 비트의 수가 결정될 수 있다.

단계 S13에서, 컨트롤러(210)는 상기 데이터의 에러 비트의 수가 임계값을 넘는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 임계값은 에러 정정부(212)가 정정할 수 있는 최대의 에러 비트 수를 넘지 않도록 결정될 수 있다.

상기 데이터의 에러 비트의 수가 임계값을 넘는 경우(단계 S13에서, "예"), 상기 타겟 메모리 블록의 문턱 전압 분포가 열화되었을 수 있다. 컨트롤러(210)는 상기 타겟 메모리 블록의 데이터를 다른 메모리 블록으로 복사할 수 있다. 컨트롤러(210)는 상기 타겟 메모리 블록으로부터 데이터를 리드하고, 리드된 데이터의 에러를 검출 및 정정할 수 있다. 그리고, 컨트롤러(210)는 에러 정정된 데이터를 다른 메모리 블록에 프로그램하도록 메모리 장치(220)를 제어할 수 있다. 에러 정정된 데이터가 다른 메모리 블록에 프로그램되면, 상기 프로그램된 데이터는 이상적인 문턱전압 분포를 갖게 될 수 있다.

상기 데이터의 에러 비트의 수가 임계값을 넘지 않는 경우(단계 S13에서, "아니오"), 컨트롤러(210)는 단계 S14를 스킵하고 단계 S15를 수행할 수 있다.

단계 S15에서, 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)의 모든 타겟 메모리 블록에 대한 단계 S11 내지 단계 S14의 스캔 동작이 완료되었는지 여부를 판단하고, 모든 타겟 메모리 블록에 대해 스캔 동작이 완료될 때까지 단계 S11 내지 단계 S14를 반복 수행할 수 있다. 한편, 메모리 장치(220)에 포함된 모든 메모리 블록들이 타겟 메모리 블록으로 결정될 수도 있고, 문턱 전압이 열화될 위험이 있는 일부 메모리 블록들이 타겟 메모리 블록으로 결정될 수도 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 미디어 스캔 동작은 메모리 장치(220)에 프로그램된 데이터의 지속시간이 임계값을 넘는 경우에 트리거될 수 있다. 데이터 지속시간은 메모리 블록별로, 혹은 슈퍼블록별로 결정될 수 있다. 이하에서, 도 9를 참조하여 슈퍼블록의 데이터 지속시간을 결정하는 방법이 자세히 설명된다.

도 9는 데이터 지속시간을 설명하기 위한 흐름도이다.

단계 S21에서, 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)에 포함된 복수의 슈퍼블록들 중 선택된 슈퍼블록을 이레이즈할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 복수의 슈퍼블록들 중 무효화된 데이터만이 저장된 슈퍼블록들을 선택하고, 상기 선택된 슈퍼블록을 이레이즈할 수 있다. 상기 슈퍼블록이 이레이즈되는 시점은 제1 시점(T1)으로 지칭될 수 있다.

단계 S22에서, 컨트롤러(210)는 상기 이레이즈된 슈퍼블록을 액티브 슈퍼블록으로 할당될 수 있다. 액티브 슈퍼블록은 데이터를 프로그램하기 위해 할당된 슈퍼블록을 지칭할 수 있다.

단계 S23에서, 컨트롤러(210)는 액티브 슈퍼블록이 할당되면, 상기 액티브 슈퍼블록의 모든 페이지들이 프로그램될 때까지 데이터가 상기 액티브 슈퍼블록에 순차적으로 프로그램되도록 메모리 장치(220)를 제어할 수 있다. 한편, 액티브 슈퍼블록에 순차적으로 프로그램되는 데이터의 논리 주소가 반드시 연속할 필요는 없다.

액티브 슈퍼블록의 일부 페이지들이 프로그램되지 않고 이레이즈된 상태로 방치되는 경우, 프로그램된 페이지들의 메모리 셀들에 유입된 전하가 누설될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(210)는 제1 시점(T1) 이후로 정해진 시간(예를 들어, 30분)이 경과한 뒤에 상기 액티브 슈퍼블록에 이레이즈된 페이지가 있는 경우, 단계 S24에서 상기 이레이즈된 페이지에 더미 데이터를 프로그램하도록 메모리 장치(220)를 제어함으로써 상기 액티브 슈퍼블록의 모든 페이지들에 프로그램 동작을 완료할 수 있다.

액티브 슈퍼블록의 모든 페이지들이 프로그램되면, 단계 S25에서 컨트롤러(210)는 액티브 슈퍼블록을 클로즈(closed) 슈퍼블록으로 결정하고, 상기 슈퍼블록에 더 이상 데이터가 프로그램되지 않도록 할 수 있다.

시간이 경과하면, 상기 클로즈 슈퍼블록에 프로그램된 데이터 중 무효화된 데이터의 비율이 증가할 수 있다. 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)의 여유공간을 확보하기 위해, 가비지 콜렉션 동작을 수행할 수 있다.

단계 S26에서, 컨트롤러(210)는 상기 클로즈 슈퍼블록을 가비지 콜렉션(GC) 동작을 위한 희생 슈퍼블록으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 상기 클로즈 슈퍼블록의 무효화된 데이터의 비율이 임계값을 넘는 경우 상기 클로즈 슈퍼블록을 희생 슈퍼블록으로 결정하고, 상기 희생 슈퍼블록의 유효한 데이터를 모아서 다른 슈퍼블록에 프로그램함으로써 가비지 콜렉션 동작을 수행할 수 있다. 상기 클로즈 슈퍼블록이 희생 슈퍼블록으로 결정되는 시점은 제2 시점(T2)으로 지칭될 수 있다. 제2 시점(T2) 이후에, 상기 슈퍼블록은 다른 데이터를 프로그램하기 위해 이레이즈될 슈퍼블록으로 선택될 수 있다.

슈퍼블록이 이레이즈된 제1 시점(T1)부터 정해진 시간 내에 상기 슈퍼블록에 데이터가 프로그램될 수 있으며, 상기 슈퍼블록에 프로그램된 데이터는 제2 시점(T2)까지 프로그램된 상태로 지속되어야 할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러(210)는 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 간격을 상기 슈퍼블록의 데이터 지속시간으로 결정할 수 있다.

호스트(100)의 워크로드가 핫 데이터 위주의 워크로드인 경우, 스토리지 장치(200)에 저장되는 데이터는 자주 업데이트되고, 슈퍼블록에 저장된 데이터는 단시간 내에 무효화될 수 있다. 따라서, 상기 데이터 지속시간이 짧아질 수 있으며, 상기 데이터 지속시간 내에 메모리 셀들의 문턱전압 분포가 크게 열화되지 않을 수 있다. 반면에, 호스트(100)의 워크로드가 콜드 데이터 위주의 워크로드인 경우, 슈퍼블록의 데이터 지속시간은 길어질 수 있으며, 상기 데이터 지속시간 내에 메모리 셀들의 문턱전압 분포가 크게 열화될 우려가 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 스토리지 장치(200)는 슈퍼블록의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우에, 메모리 장치(220)에 저장된 데이터의 신뢰성을 유지하기 위한 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다. 이하에서, 도 10을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치(200)의 동작이 자세히 설명된다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

단계 S31에서, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록들 중 가비지 콜렉션(GC) 동작을 위한 희생 슈퍼블록들을 선택할 수 있다. 컨트롤러(210)는 상기 희생 슈퍼블록들이 선택되는 시점을 상기 희생 슈퍼블록들의 제2 시점(T2)으로 결정할 수 있다.

단계 S32에서, 컨트롤러(210)는 희생 블록들의 유효한 데이터를 모아서 가비지 콜렉션 동작의 대상이 되는 타겟 슈퍼블록으로 이동시킴으로써 가비지 콜렉션 동작을 수행할 수 있다.

단계 S33에서, 컨트롤러(210)는 상기 희생 슈퍼블록들의 데이터 지속시간에 기초하여 텔레메트리 로그를 업데이트할 수 있다. 텔레메트리 로그는 슈퍼블록들의 데이터 지속시간에 대한 통계정보를 포함할 수 있으며, 미디어 스캔 동작의 임계값을 조정하기 위해 이용될 수 있다. 컨트롤러(210)가 텔레메트리 로그를 업데이트하는 구체적인 방법에 대해서는 도 11을 참조하여 후술된다.

단계 S34에서, 컨트롤러(210)는 상기 희생 슈퍼블록들의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는지 여부를 판단할 수 있다.

상기 희생 슈퍼블록들의 데이터 지속시간이 임계값을 넘지 않는 경우(단계 S34에서, "아니오"), 컨트롤러(210)가 미디어 스캔 동작을 수행하지 않더라도 메모리 장치(220)에 저장된 데이터의 신뢰성이 보장될 수 있다. 따라서, 단계 S35에서 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)에 대한 미디어 스캔 동작을 스킵할 수 있다.

반면에, 상기 희생 슈퍼블록들의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우(단계 S35에서, "예"), 컨트롤러(210)는 단계 S36에서 메모리 장치(220)에 대한 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 텔레메트리 로그 업데이트 동작을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)이 하나의 파워 온 기간에 포함되는 경우에만 상기 슈퍼블록의 데이터 지속시간을 이용하여 텔레메트리 로그를 업데이트할 수 있다.

도 11은 제1 내지 제3 슈퍼블록(SB1-SB3)이 이레이즈되는 제1 시점(T1) 및 제1 내지 제3 슈퍼블록(SB1-SB3)이 희생 블록으로 선택되는 제2 시점(T2)을 시간의 흐름에 따라 나타낸다. 도 11은 스토리지 장치(200)가 파워 온 상태인 시간과 파워 오프 상태인 시간을 함께 도시한다.

도 11의 예에서, 하나의 파워 온 기간에 제1 슈퍼블록(SB1)의 제1 시점(T1) 및 제2 시점(T2)이 포함될 수 있다. 즉, 제1 슈퍼블록(SB1)은 하나의 파워 온 기간에 이레이즈되고, 데이터가 프로그램된 후 희생 슈퍼블록으로 선택될 수 있다. 컨트롤러(210)는 제1 슈퍼블록(SB1)이 이레이즈될 때 제1 시점(T1)의 정보를 컨트롤러(210)에 포함된 메모리에 저장하고, 제1 슈퍼블록(SB1)이 희생 슈퍼블록으로 선택될 때 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 간격을 데이터 지속시간으로 결정할 수 있다. 그리고, 컨트롤러(210)는 제1 슈퍼블록(SB1)의 데이터 지속시간을 이용하여 텔레메트리 로그를 업데이트할 수 있다. 제3 슈퍼블록(SB3)의 경우도 마찬가지로, 하나의 파워 온 기간에 제1 시점(T1) 및 제2 시점(T2)이 포함될 수 있다. 컨트롤러(210)는 제3 슈퍼블록(SB3)의 데이터 지속시간을 이용하여 텔레메트리 로그를 업데이트할 수 있다.

한편, 스토리지 장치(200)가 파워 오프 되어있는 동안, 메모리 장치(220)의 메모리 셀들의 문턱전압 분포가 전체적으로 열화될 수 있다. 컨트롤러(210)는 스토리지 장치(200)가 파워 온 되면, 메모리 셀들의 열화된 문턱전압 분포를 회복하기 위해 메모리 장치(220)에 대해 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다.

제2 슈퍼블록(SB2)이 이레이즈되고, 제2 슈퍼블록(SB2)에 데이터가 프로그램된 후 상기 데이터가 프로그램된 상태로 스토리지 장치(200)가 파워 오프될 수 있다. 스토리지 장치(200)의 파워 오프된 기간의 길이에 관계없이 파워 온 된 후에 제2 슈퍼블록(SB2)의 문턱전압 분포가 회복될 수 있다. 컨트롤러(210)는 제2 슈퍼블록(SB2)의 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)이 하나의 파워 온 기간에 속하지 않는 경우 제2 슈퍼블록(SB2)의 데이터 지속시간을 텔레메트리 로그에 반영하지 않을 수 있다.

한편, 데이터 지속시간 정보는 메모리 장치(220)에 포함된 모든 슈퍼블록들을 대상으로 수집될 수 있으며, 텔레메트리 로그는 메모리 장치(220) 전체에 대해 통합적으로 관리될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 컨트롤러(210)가 메모리 장치(220)의 저장 공간을 복수의 네임스페이스들로 나누어서 호스트(100)로 제공하는 경우가 있다. 네임스페이스는 논리적인 저장 공간일 수 있으며, 호스트(100)에서 서로 다른 네임스페이스는 독립된 저장 공간으로 인식될 수 있다. 스토리지 장치(200)가 복수의 네임스페이스들을 갖는 경우, 스토리지 장치(200)는 텔레메트리 로그를 네임스페이스별로 관리할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(220)에 포함된 어떤 슈퍼블록의 데이터 지속시간이 결정되면, 상기 슈퍼블록에 저장된 데이터의 논리 주소가 속하는 네임스페이스의 텔레메트리 로그를 상기 데이터 지속시간을 이용하여 업데이트할 수 있다.

한편, 도 10의 예에서 컨트롤러(210)가 슈퍼블록의 데이터 지속시간을 하나의 임계값과 비교하고, 미디어 스캔 동작 수행 여부를 결정하는 경우를 예로 들어 본 발명의 실시 예가 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 데이터 지속시간을 둘 이상의 임계값과 비교하고, 비교 결과에 따라 두 종류 이상의 미디어 스캔 동작을 선택적으로 수행할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

단계 S41 내지 단계 S43은, 도 10을 참조하여 설명된 단계 S31 내지 단계 S33과 동일한 방식으로 수행될 수 있다.

단계 S44에서, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 데이터 지속시간이 제1 임계값을 넘는지 여부를 결정할 수 있다.

슈퍼블록의 데이터 지속시간이 제1 임계값을 넘지 않는 경우(단계 S44에서, "아니오"), 단계 S45에서 컨트롤러(210)는 메모리 장치(220)의 미디어 스캔 동작을 스킵할 수 있다.

슈퍼블록의 데이터 지속시간이 제1 임계값을 넘는 경우(단계 S44에서, "예"), 단계 S46에서 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 데이터 지속시간이 상기 제1 임계값보다 큰 제2 임계값을 넘는지 여부를 결정할 수 있다.

슈퍼블록의 데이터 지속시간이 제2 임계값을 넘지 않는 경우(단계 S46에서, "예"), 단계 S47에서 컨트롤러(210)는 제1 스캔 동작을 수행할 수 있다.

슈퍼블록의 데이터 지속시간이 제2 임계값을 넘는 경우(단계 S46에서, "아니오"), 단계 S48에서 컨트롤러(210)는 제2 스캔 동작을 수행할 수 있다.

제1 스캔 동작과 제2 스캔 동작은 서로 다른 종류의 미디어 스캔 동작일 수 있다. 제1 예로, 제2 스캔 동작은 제1 스캔 동작에 비해 메모리 블록들을 세밀하게 스캔하기 위한 미디어 스캔 동작일 수 있다. 구체적으로, 제1 스캔 동작에서는 타겟 슈퍼블록의 페이지들 중 N(N은 자연수)개의 타겟 페이지들을 리드할 수 있으며, 제2 스캔 동작에서는 타겟 슈퍼블록의 페이지들 중 N개보다 많은 M(M은 자연수)개의 타겟 페이지들을 리드할 수 있다.

제2 예로, 제2 스캔 동작은 제1 스캔 동작에 비해 많은 수의 타겟 메모리 블록들을 스캔하기 위한 미디어 스캔 동작일 수 있다. 구체적으로, 제1 스캔 동작에서는 상기 데이터 지속시간이 제1 임계값을 넘는 슈퍼블록만이 타겟 슈퍼블록으로 선택될 수 있으며, 제2 스캔 동작에서는 메모리 장치(220)에 포함된 모든 슈퍼블록들이 타겟 슈퍼블록으로 선택될 수 있다.

한편, 도 12의 예에서는 컨트롤러(210)가 슈퍼블록의 데이터 지속시간을 2개의 임계값과 비교하는 경우를 예로 들어 본 발명의 실시 예가 설명되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 컨트롤러(210)는 셋 이상의 임계값을 기준으로, 더욱 세분화된 종류의 미디어 스캔 동작들을 선택적으로 수행할 수 있다.

컨트롤러(210)는 텔레메트리 로그에 기초하여 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 기준, 즉 임계값을 조정할 수 있다.

도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시 예에 따라 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 기준을 조정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도들이다.

도 13a는 특정 시점에서의 텔레메트리 로그에 포함된 데이터 지속시간의 통계정보를 나타내는 그래프이다. 그래프의 가로축은 데이터 지속시간을 나타내고, 세로축은 해당 데이터 지속시간을 가진 슈퍼블록의 수를 나타낸다. 도 13a의 그래프에서 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 데이터 지속시간의 임계값이 예시된다.

도 13b는 도 13a의 특정 시점 이후의 시점에서 데이터 지속시간의 통계정보의 제1 예를 나타내는 그래프이다.

도 13b의 예에서, 도 13a에 비해 통계적으로 데이터 지속시간이 긴 슈퍼블록들의 수가 증가할 수 있다. 슈퍼블록들의 데이터 지속시간이 전반적으로 길어지는 경우, 메모리 장치(220)에 저장된 데이터의 신뢰도가 떨어질 우려가 있다. 따라서, 메모리 장치(220)에 대한 미디어 스캔 동작이 자주 수행되는 것이 바람직하다. 따라서, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록들의 평균적인 데이터 지속시간이 길어지는 경우, 데이터 지속시간의 임계값을 감소시킴으로써 미디어 스캔 동작이 보다 자주 수행되도록 할 수 있다.

도 13c는 도 13a의 특정 시점 이후의 시점에서 데이터 지속시간의 통계정보의 제2 예를 나타내는 그래프이다.

도 13b와는 반대로, 도 13c의 예에서는 도 13a에 비해 통계적으로 데이터 지속시간이 짧은 슈퍼블록들의 수가 증가할 수 있다. 컨트롤러(210)는 슈퍼블록들의 평균적인 데이터 지속시간이 짧아지는 경우, 데이터 지속시간의 임계값을 증가시킴으로써 미디어 스캔 동작이 보다 드물게 수행되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러(210)는 텔레메트리 로그를 이용하여 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 데이터 지속시간의 임계값을 조정할 수 있다. 그리고, 텔레메트리 로그는 호스트(100)로 출력되어 스토리지 장치(200)의 기능성 및 신뢰성을 개선하기 위해 이용될 수 있다. 컨트롤러(210)는 NVMe 인터페이스 프로토콜을 준수하여 상기 텔레메트리 로그를 호스트(100)로 출력할 수 있다.

한편, 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 데이터 지속시간의 임계값은 스토리지 장치(200) 전체에 공통적으로 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 스토리지 장치(200)가 네임스페이스별로 텔레메트리 로그를 관리하는 경우, 스토리지 장치(200)는 데이터 지속시간의 임계값 또한 네임스페이스별로 결정할 수 있다. 예를 들어, 핫 데이터를 저장하는 제1 네임스페이스에서는 슈퍼블록들의 평균적인 데이터 지속시간이 짧아질 수 있으며, 콜드 데이터를 저장하는 제2 네임스페이스에서는 슈퍼블록들의 평균적인 데이터 지속시간이 길어질 수 있다. 스토리지 장치(200)는 제1 네임스페이스에 대해서는 도 13c를 참조하여 설명된 것과 같이 데이터 지속시간의 임계값을 상향 조정하고, 제2 네임스페이스에 대해서는 도 13b를 참조하여 설명된 것과 같이 데이터 지속시간의 임계값을 하향 조정할 수 있다. 스토리지 장치(200)는 네임스페이스별로 데이터 지속시간의 임계값을 제어함으로써 네임스페이스별로 미디어 스캔 동작이 트리거되는 주기를 조정할 수 있다. 따라서, 스토리지 장치(200)의 성능 및 신뢰성이 최적화될 수 있다.

한편, 스토리지 장치(200)는 컨트롤러(210)에서 구동되는 FTL(Flash Translation Layer)의 일부 기능을 호스트(100)에게 맡기는 오픈 채널 SSD일 수 있다. 스토리지 장치(200)가 오픈 채널 SSD인 경우, 미디어 스캔을 트리거하기 위한 임계값 또한 호스트(100)의 제어에 따라 조정될 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 호스트-스토리지 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

단계 S51에서, 스토리지 장치(200)는 호스트(100)로 텔레메트리 로그를 출력할 수 있다.

단계 S52에서, 호스트(100)는 스토리지 장치(200)로부터 획득한 텔레메트리 로그를 처리할 수 있다. 예를 들어, 호스트(100)는 텔레메트리 로그를 분석하고, 스토리지 장치(200)의 기능성 및 신뢰성을 개선하기 위해 상기 분석된 텔레메트리 로그를 이용할 수 있다.

단계 S53에서, 호스트(100)는 텔레메트리 로그를 분석한 결과에 따라, 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 임계값을 업데이트할 수 있다.

단계 S54에서, 호스트(100)는 업데이트된 임계값에 기초하여 스토리지 장치(210)의 미디어 스캔 동작을 제어할 수 있다.

한편, 컨트롤러(210)는 데이터 지속시간에 기초하여 텔레메트리 로그를 업데이트할 때, 데이터 지속시간에 가중치를 적용할 수 있다.

도 15a 내지 도 15b는 본 발명의 실시 예에 따른 텔레메트리 로그의 예를 설명하기 위한 도면들이다.

도 15a를 참조하면, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 데이터 지속시간에 상기 슈퍼블록에 포함된 메모리 블록들을 포함하는 비휘발성 메모리들의 온도 정보에 기초하여 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 데이터 지속시간을 텔레메트리 로그에 반영할 수 있다.

데이터센터 등에서 스토리지 장치(200)가 실장되는 위치에 따라 스토리지 장치(200)의 온도는 달라질 수 있다. 메모리 셀들에 데이터가 프로그램된 후 동일한 시간이 경과할 때, 비휘발성 메모리들의 온도가 더 높을수록 상기 메모리 셀들의 문턱전압은 더욱 심각하게 열화될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 호스트(100)는 다양한 실장 환경을 갖는 스토리지 장치들(200)로부터 표준화된 데이터 지속시간 정보를 수집할 수 있다. 그리고, 스토리지 장치(200)는 실장 환경에 따라 미디어 스캔 동작이 트리거되는 빈도를 조정할 수 있다.

도 15b를 참조하면, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 데이터 지속시간에 상기 슈퍼블록의 마모도에 기초하여 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 데이터 지속시간을 텔레메트리 로그에 반영할 수 있다. 상기 슈퍼블록의 마모도는 슈퍼블록의 P/E(Program/Erase) 사이클, 이레이즈 카운트 및 슈퍼블록에 데이터가 프로그램된 횟수 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

메모리 셀들에 데이터가 프로그램된 후 동일한 시간이 경과할 때, 슈퍼블록의 마모도가 더 높을수록 메모리 셀들의 문턱전압은 더욱 심각하게 열화될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 스토리지 장치(200)는 슈퍼블록들의 마모도에 따라 미디어 스캔 동작이 트리거되는 빈도를 조정할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러(210)는 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위해 슈퍼블록의 데이터 지속기간뿐만 아니라 다른 요소를 더 고려할 수 있다. 도 16 내지 도 18에서 슈퍼블록의 데이터 리드 이력에 기초하여 미디어 스캔 동작을 트리거하는 실시 예에 대해서 자세히 설명된다.

도 16은 메모리 셀들의 열화된 문턱전압 분포를 나타낸다.

메모리 셀들이 프로그램된 후 시간이 경과하면, 메모리 셀들에 유입된 전하가 누설되면서 메모리 셀들의 문턱전압이 낮아질 수도 있다. 반면에, 주변의 메모리 셀들이 리드될 때 상기 메모리 셀들로 전하가 유입되는 리드 디스터브 현상으로 인해 상기 메모리 셀들의 문턱전압이 높아질 수도 있다. 도 16에서 실선으로 도시된 문턱전압 분포는 도 6을 참조하여 설명된 이상적인 문턱전압 분포와 동일할 수 있으며, 파선으로 도시된 문턱전압 분포는 열화된 문턱전압 분포일 수 있다. 열화된 문턱전압 분포는, 이상적인 문턱전압 분포에 비해 양 옆으로 넓어진 형태를 가질 수 있다.

컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 리드 이력을 더 고려하여 미디어 스캔 동작을 트리거할 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

단계 S61에서, 컨트롤러(210)는 호스트(100)로부터 리드 요청을 수신할 수 있다.

단계 S62에서, 컨트롤러(210)는 호스트(100)로부터의 리드 요청에 응하여 슈퍼블록을 리드하도록 메모리 장치(220)를 제어할 수 있다.

단계 S63에서, 컨트롤러(210)는 상기 슈퍼블록의 데이터 지속시간 범위 내에서, 상기 슈퍼블록의 리드 횟수 정보 및 리드 누적시간 정보를 업데이트할 수 있다. 상기 리드 횟수 및 상기 리드 누적시간이 클수록, 리드 디스터브 현상으로 인해 메모리 셀들이 크게 열화될 수 있다.

도 18은 슈퍼블록의 리드 횟수 및 리드 누적시간을 설명하기 위한 도면이다.

도 18은 제1 슈퍼블록(SB1)의 데이터 지속시간 범위에서 제1 슈퍼블록(SB1)의 리드 시점들(R1-R6) 및 리드 동작으로 인한 워드라인 방전시간(Discharge)을 나타낸다.

메모리 블록에 포함된 메모리 셀들을 리드하기 위해, 상기 메모리 셀들에 연결된 선택 워드라인에는 리드전압을 인가하고, 비선택 워드라인들에는 상기 리드전압보다 높은 패스전압을 인가할 수 있다. 비선택 워드라인들 중 선택 워드라인에 인접한 워드라인에는 패스전압으로 인한 채널 부스팅이 이루어지고, 상기 비선택 워드라인에 연결된 메모리 셀들에 핫 캐리어가 주입될 수 있다. 인접한 워드라인에 연결된 메모리 셀들의 문턱전압이 증가되어 문턱전압 분포가 열화되는 리드 디스터브 현상이 발생할 수 있다.

상기 선택 워드라인에 리드전압이 인가되고 비선택 워드라인들에 패스전압이 인가된 후에는, 상기 비선택 워드라인들에 인가된 패스전압이 방전될 때까지 리드 디스터브 현상이 발생할 수 있다. 도 18의 예에서, 제1 리드 동작(R1) 이후 방전 시간 동안 리드 디스터브 현상이 발생할 수 있다.

도 18에서 빗금 표시된 시간은, 제1 내지 제6 리드 동작(R1-R6)에 의한 워드라인 방전으로 인해 리드 디스터브 현상이 발생할 수 있는 시간을 나타낸다. 리드 디스터브 현상이 발생할 수 있는 시간이 리드 누적시간으로 지칭될 수 있다.

리드 횟수가 많을수록 리드 디스터브 현상으로 인해 문턱전압 분포가 심각하게 열화될 수 있다. 그리고, 리드 횟수가 동일한 경우 리드 동작들 간의 시간간격이 클수록 리드 누적시간이 길어져서 문턱전압 분포가 심각하게 열화될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(210)는 데이터 지속시간뿐만 아니라, 리드 횟수 및 리드 누적시간을 더 고려하여 미디어 스캔 동작을 제어할 수 있다.

다시 도 17을 참조하면, 단계 S64에서, 컨트롤러(210)는 슈퍼블록의 리드 횟수 또는 리드 누적시간이 임계값을 넘는지 여부를 판단할 수 있다.

상기 리드 횟수 및 리드 누적시간이 모두 임계값을 넘지 않는 경우(단계 S64에서, "아니오"), 컨트롤러(210)는 미디어 스캔 동작을 스킵할 수 있다.

반면에, 상기 리드 횟수 또는 리드 누적시간이 임계값을 넘는 경우(단계 S64에서, "예"), 컨트롤러(210)는 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러(210)는 메모리 셀의 문턱전압 분포가 열화될 수 있는 가능성을 고려하여 미디어 스캔 동작과 같은 방어 로직을 구동하는 빈도를 최적화할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(210)는 메모리 셀의 문턱전압 분포가 열화될 가능성이 높은 경우에 미디어 스캔 동작을 트리거하고, 문턱전압 분포가 열화될 가능성이 낮은 경우에 미디어 스캔 동작을 스킵할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 메모리 장치(220)로부터 리드되는 데이터의 신뢰성이 개선되면서, 스토리지 장치(200)의 데이터 입출력 성능이 개선되고, 스토리지 장치(200)의 소비전력은 절감될 수 있다. 이하에서, 도 19 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치가 적용되는 시스템들의 예가 설명된다.

도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 호스트-스토리지 장치를 나타내는 도면이다.

도 19는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 호스트-스토리지 시스템을 나타내는 블록도이다.

호스트-스토리지 시스템(40)은 호스트(400) 및 스토리지 장치(500)를 포함할 수 있다. 또한, 스토리지 장치(500)는 스토리지 컨트롤러(510) 및 비휘발성 메모리(NVM)(520)를 포함할 수 있다.

호스트(400)는 전자 장치일 수 있으며, 적어도 하나의 운영 체제를 포함할 수 있다. 호스트(400)는 도 1을 참조하여 설명된 호스트(100)에 대응할 수 있다.

스토리지 장치(500)는 호스트(400)로부터의 요청에 따라 데이터를 저장하기 위한 저장 매체들을 포함할 수 있다. 스토리지 장치(500)는 도 1을 참조하여 설명된 스토리지 장치(200)에 대응할 수 있다.

메모리 장치(520)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 데이터를 유지할 수 있다. 메모리 장치(520)는 프로그램 동작을 통해 호스트(400)로부터 제공된 데이터를 저장할 수 있고, 리드 동작을 통해 메모리 장치(520)에 저장된 데이터를 출력할 수 있다.

스토리지 컨트롤러(510)는 호스트(400)로부터의 요청에 응답하여 메모리 장치(520)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스토리지 컨트롤러(510)는 메모리 장치(520)로부터 리드된 데이터를 호스트(400)로 제공하고, 호스트(400)로부터 제공된 데이터를 메모리 장치(520)에 저장할 수 있다. 이러한 동작을 위해, 스토리지 컨트롤러(510)는 메모리 장치(520)의 리드(read), 프로그램(program), 이레이즈(erase) 등의 동작을 지원할 수 있다.

스토리지 컨트롤러(510)는 호스트 인터페이스(511), 메모리 인터페이스(512) 및 CPU(central processing unit)(513)를 포함할 수 있다. 또한, 스토리지 컨트롤러(510)는 플래시 변환 레이어(Flash Translation Layer; FTL)(514), 패킷 매니저(515), 버퍼 메모리(516), ECC(error correction code)(517) 엔진 및 AES(advanced encryption standard) 엔진(518)을 더 포함할 수 있다. 스토리지 컨트롤러(510)는 플래시 변환 레이어(FTL)(514)가 로딩되는 워킹 메모리(미도시)를 더 포함할 수 있으며, CPU(513)가 플래시 변환 레이어(514)를 실행하는 것에 의해 메모리 장치(520)에 대한 데이터 기록 및 독출 동작이 제어될 수 있다.

호스트 인터페이스(511)는 호스트(400)와 패킷(packet)을 송수신할 수 있다. 호스트(400)로부터 호스트 인터페이스(511)로 전송되는 패킷은 커맨드(command) 혹은 메모리 장치(520)에 기록될 데이터 등을 포함할 수 있으며, 호스트 인터페이스(511)로부터 호스트(400)로 전송되는 패킷은 커맨드에 대한 응답(response) 혹은 메모리 장치(520)로부터 독출된 데이터 등을 포함할 수 있다.

메모리 인터페이스(512)는 메모리 장치(520)에 기록될 데이터를 메모리 장치(520)로 송신하거나, 메모리 장치(520)로부터 독출된 데이터를 수신할 수 있다. 이러한 메모리 인터페이스(512)는 토글(Toggle) 혹은 온파이(Open NAND Flash Interface; ONFI)와 같은 표준 규약을 준수하도록 구현될 수 있다.

플래시 변환 레이어(514)는 주소 매핑(address mapping), 웨어-레벨링(wear-leveling), 가비지 콜렉션(garbage collection)과 같은 여러 기능을 수행할 수 있다. 주소 매핑 동작은 호스트(400)로부터 수신한 논리 주소(logical address)를, 메모리 장치(520) 내에 데이터를 실제로 저장하는 데 사용되는 물리 주소(physical address)로 바꾸는 동작이다. 웨어-레벨링은 메모리 장치(520) 내의 블록(block)들이 균일하게 사용되도록 하여 특정 블록의 과도한 열화를 방지하기 위한 기술로, 예시적으로 물리 블록(physical block)들의 소거 카운트들을 밸런싱하는 펌웨어 기술을 통해 구현될 수 있다. 가비지 콜렉션은, 블록의 유효 데이터를 새 블록에 복사한 후 기존 블록을 소거(erase)하는 방식을 통해 메모리 장치(520) 내에서 사용 가능한 용량을 확보하기 위한 기술이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 플래시 변환 레이어(514)는 메모리 장치(520)의 슈퍼블록에 데이터가 프로그램된 후 상기 데이터가 무효화되기까지의 데이터 지속시간을 결정하고, 상기 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우에 메모리 장치(520)에 대한 미디어 스캔 동작을 수행할 수 있다. 플래시 변환 레이어(514)는 텔레메트리 로그를 생성할 수 있으며, 상기 텔레메트리 로그에는 슈퍼블록의 데이터 지속시간에 대한 통계정보가 포함될 수 있다. 플래시 변환 레이어(514)는 데이터 지속시간에 대한 통계정보에 기초하여 상기 미디어 스캔 동작이 트리거되는 임계값을 조정할 수 있다.

패킷 매니저(515)는 호스트(400)와 협의된 인터페이스의 프로토콜에 따른 패킷(Packet)을 생성하거나, 호스트(400)로부터 수신된 패킷(Packet)으로부터 각종 정보를 파싱할 수 있다. 또한, 버퍼 메모리(516)는 메모리 장치(520)에 기록될 데이터 혹은 메모리 장치(520)로부터 독출될 데이터를 임시로 저장할 수 있다. 버퍼 메모리(516)는 스토리지 컨트롤러(510) 내에 구비되는 구성일 수 있으나, 스토리지 컨트롤러(510)의 외부에 배치되어도 무방하다.

ECC 엔진(517)은 메모리 장치(520)로부터 독출되는 독출 데이터에 대한 오류 검출 및 정정 기능을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, ECC 엔진(517)은 메모리 장치(520)에 기입될 기입 데이터에 대하여 패리티 비트(parity bit)들을 생성할 수 있으며, 이와 같이 생성된 패리티 비트들은 기입 데이터와 함께 메모리 장치(520) 내에 저장될 수 있다. 메모리 장치(520)로부터의 데이터 독출 시, ECC 엔진(517)은 독출 데이터와 함께 메모리 장치(520)로부터 독출되는 패리티 비트들을 이용하여 독출 데이터의 에러를 정정하고, 에러가 정정된 독출 데이터를 출력할 수 있다.

AES 엔진(518)은, 스토리지 컨트롤러(510)로 입력되는 데이터에 대한 암호화(encryption) 동작과 복호화(decryption) 동작 중 적어도 하나를, 대칭 키 알고리즘(symmetric-key algorithm)를 이용하여 수행할 수 있다.

도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 스토리지 장치가 적용된 시스템을 나타내는 도면이다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 스토리지(storage) 장치가 적용된 시스템(1000)을 도시한 도면이다. 도 20의 시스템(1000)은 기본적으로 휴대용 통신 단말기(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 웨어러블 기기, 헬스케어 기기 또는 IOT(internet of things) 기기와 같은 모바일(mobile) 시스템일 수 있다. 하지만 도 20의 시스템(1000)은 반드시 모바일 시스템에 한정되는 것은 아니고, 개인용 컴퓨터(personal computer), 랩탑(laptop) 컴퓨터, 서버(server), 미디어 재생기(media player) 또는 내비게이션(navigation)과 같은 차량용 장비(automotive device) 등이 될 수도 있다.

도 20을 참조하면, 시스템(1000)은 메인 프로세서(main processor)(1100), 메모리(1200a, 1200b) 및 스토리지 장치(1300a, 1300b)를 포함할 수 있으며, 추가로 촬영 장치(image capturing device)(1410), 사용자 입력 장치(user input device)(1420), 센서(1430), 통신 장치(1440), 디스플레이(1450), 스피커(1460), 전력 공급 장치(power supplying device)(1470) 및 연결 인터페이스(connecting interface)(1480) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

메인 프로세서(1100)는 시스템(1000)의 전반적인 동작, 보다 구체적으로는 시스템(1000)을 이루는 다른 구성 요소들의 동작을 제어할 수 있다. 이와 같은 메인 프로세서(1100)는 범용 프로세서, 전용 프로세서 또는 애플리케이션 프로세서(application processor) 등으로 구현될 수 있다.

메인 프로세서(1100)는 하나 이상의 CPU 코어(1110)를 포함할 수 있으며, 메모리(1200a, 1200b) 및/또는 스토리지 장치(1300a, 1300b)를 제어하기 위한 컨트롤러(1120)를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 메인 프로세서(1100)는 AI(artificial intelligence) 데이터 연산 등 고속 데이터 연산을 위한 전용 회로인 가속기(accelerator)(1130)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 가속기(1130)는 GPU(Graphics Processing Unit), NPU(Neural Processing Unit) 및/또는 DPU(Data Processing Unit) 등을 포함할 수 있으며, 메인 프로세서(1100)의 다른 구성 요소와는 물리적으로 독립된 별개의 칩(chip)으로 구현될 수도 있다.

메모리(1200a, 1200b)는 시스템(1000)의 주기억 장치로 사용될 수 있으며, SRAM 및/또는 DRAM 등의 휘발성 메모리를 포함할 수 있으나, 플래시 메모리, PRAM 및/또는 RRAM 등의 비휘발성 메모리를 포함할 수도 있다. 메모리(1200a, 1200b)는 메인 프로세서(1100)와 동일한 패키지 내에 구현되는 것도 가능하다.

스토리지 장치(1300a, 1300b)는 전원 공급 여부와 관계없이 데이터를 저장하는 비휘발성 저장 장치로서 기능할 수 있으며, 메모리(1200a, 1200b)에 비해 상대적으로 큰 저장 용량을 가질 수 있다. 스토리지 장치(1300a, 1300b)는 스토리지 컨트롤러(1310a, 1310b)와, 스토리지 컨트롤러(1310a, 1310b)의 제어 하에 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리(non-volatile memory, NVM)(1320a, 1320b)를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리(1320a, 1320b)는 2D(2-dimensional) 구조 혹은 3D(3-dimensional) V-NAND(Vertical NAND) 구조의 플래시 메모리를 포함할 수 있으나, PRAM 및/또는 RRAM 등의 다른 종류의 비휘발성 메모리를 포함할 수도 있다.

스토리지 장치(1300a, 1300b)는 메인 프로세서(1100)와는 물리적으로 분리된 상태로 시스템(1000)에 포함될 수도 있고, 메인 프로세서(1100)와 동일한 패키지 내에 구현될 수도 있다. 또한, 스토리지 장치(1300a, 1300b)는 SSD(solid state device) 혹은 메모리 카드(memory card)와 같은 형태를 가짐으로써, 후술할 연결 인터페이스(1480)와 같은 인터페이스를 통해 시스템(1000)의 다른 구성 요소들과 탈부착 가능하도록 결합될 수도 있다. 이와 같은 스토리지 장치(1300a, 1300b)는 UFS(Universal Flash Storage), eMMC(embedded multi-media card) 혹은 NVMe(non-volatile memory express)와 같은 표준 규약이 적용되는 장치일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 건 아니다.

스토리지 장치(1300a, 1300b)는 내부에 저장된 데이터의 신뢰성을 유지하기 위한 방어 로직을 구동할 수 있다. 스토리지 장치(1300a, 1300b)는 내부에 데이터가 프로그램된 후 무효화되기까지의 시간 간격인 데이터 지속시간에 따라 방어 로직 구동 여부를 결정함으로써, 내부에 저장된 데이터의 신뢰성이 떨어질 우려가 큰 경우에만 방어 로직을 구동할 수 있다. 따라서, 스토리지 장치(1300a, 1300b)의 신뢰성 및 성능이 최적화될 수 있다.

스토리지 장치(1300a, 1300b)는 데이터 지속시간에 대한 통계정보를 텔레메트리 로그로서 관리하고, 텔레메트리 로그를 메인 프로세서(1100)로 제공할 수 있다. 메인 프로세서(1100)로 제공된 텔레메트리 로그는 스토리지 장치(1300a, 1300b)의 사용성 및 신뢰성을 개선하기 위해 이용될 수 있다. 스토리지 장치(1300a, 1300b)는 상기 통계정보를 이용하여 방어 로직의 트리거 조건을 조정함으로써 신뢰성 및 성능을 더욱 개선할 수 있다.

촬영 장치(1410)는 정지 영상 또는 동영상을 촬영할 수 있으며, 카메라(camera), 캠코더(camcorder) 및/또는 웹캠(webcam) 등일 수 있다.

사용자 입력 장치(1420)는 시스템(1000)의 사용자로부터 입력된 다양한 유형의 데이터를 수신할 수 있으며, 터치 패드(touch pad), 키패드(keyboard), 키보드(keyboard), 마우스(mouse) 및/또는 마이크(microphone) 등일 수 있다.

센서(1430)는 시스템(1000)의 외부로부터 획득될 수 있는 다양한 유형의 물리량을 감지하고, 감지된 물리량을 전기 신호로 변환할 수 있다. 이와 같은 센서(1430)는 온도 센서, 압력 센서, 조도 센서, 위치 센서, 가속도 센서, 바이오 센서(biosensor) 및/또는 자이로스코프(gyroscope) 센서 등일 수 있다.

통신 장치(1440)는 다양한 통신 규약에 따라 시스템(1000) 외부의 다른 장치들과의 사이에서 신호의 송신 및 수신을 수행할 수 있다. 이와 같은 통신 장치(1440)는 안테나, 트랜시버(transceiver) 및/또는 모뎀(MODEM) 등을 포함하여 구현될 수 있다.

디스플레이(1450) 및 스피커(1460)는 시스템(1000)의 사용자에게 각각 시각적 정보와 청각적 정보를 출력하는 출력 장치로 기능할 수 있다.

전력 공급 장치(1470)는 시스템(1000)에 내장된 배터리(도시되지 않음) 및/또는외부 전원으로부터 공급되는 전력을 적절히 변환하여 시스템(1000)의 각 구성 요소들에게 공급할 수 있다.

연결 인터페이스(1480)는 시스템(1000)과, 시스템(1000)에 연결되어 시스템(1000과 데이터를 주고받을 수 있는 외부 장치 사이의 연결을 제공할 수 있다. 연결 인터페이스(1480)는 ATA(Advanced Technology Attachment), SATA(Serial ATA), e-SATA(external SATA), SCSI(Small Computer Small Interface), SAS(Serial Attached SCSI), PCI(Peripheral Component Interconnection), PCIe(PCI express), NVMe, IEEE 1394, USB(universal serial bus), SD(secure digital) 카드, MMC(multi-media card), eMMC, UFS, eUFS(embedded Universal Flash Storage), CF(compact flash) 카드 인터페이스 등과 같은 다양한 인터페이스 방식으로 구현될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

100, 400: 호스트
200, 500: 스토리지 장치
210, 510: 컨트롤러
220, 520: 메모리 장치

Claims (10)

1. 스토리지 장치에 있어서,
   복수의 비휘발성 메모리들을 포함하고, 상기 복수의 비휘발성 메모리들 각각에 포함된 메모리 블록들로 복수의 슈퍼블록들을 구성하는 메모리 장치; 및
   상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
   상기 컨트롤러는
   호스트로부터의 데이터를 프로그램하기 위해 상기 복수의 슈퍼블록들 중에서 제1 슈퍼블록을 이레이즈하고, 상기 제1 슈퍼블록에 데이터를 프로그램하고, 상기 제1 슈퍼블록을 가비지 콜렉션 동작을 위한 희생 슈퍼블록으로 선택하며, 상기 제1 슈퍼블록이 이레이즈된 제1 시점 및 상기 제1 슈퍼블록이 상기 희생 슈퍼블록으로 선택된 제2 시점의 간격인 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 수행하는
   스토리지 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는
   타겟 슈퍼블록의 타겟 페이지들을 리드하는 동작, 상기 타겟 페이지들로부터 리드된 데이터의 에러 정정 및 검출을 수행하는 동작, 및 검출된 에러의 개수가 임계값 이상인 경우 상기 타겟 슈퍼블록의 데이터를 다른 슈퍼블록으로 이동시키는 동작을 상기 복수의 슈퍼블록들 중 모든 타겟 슈퍼블록들에 대해 수행함으로써 상기 미디어 스캔 동작을 수행하는
   스토리지 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 임계값은 제1 임계값, 및 상기 제1 임계값보다 큰 제2 임계값을 포함하고,
   상기 미디어 스캔 동작은 제1 스캔 동작 및 제2 스캔 동작을 포함하며,
   상기 컨트롤러는
   상기 제1 슈퍼블록의 상기 데이터 지속시간이 상기 제1 임계값을 넘고 제2 임계값 이하인 경우에는 제1 스캔 동작을 수행하고, 상기 제1 슈퍼블록의 상기 데이터 지속시간이 상기 제2 임계값을 넘는 경우 제2 스캔 동작을 수행하는
   스토리지 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 스캔 동작은 상기 타겟 슈퍼블록에서 N(N은 자연수)개의 타겟 페이지들을 리드하는 동작을 포함하며,
   상기 제2 스캔 동작은 상기 타겟 슈퍼블록에서 상기 N개보다 많은 M(M은 자연수)개의 타겟 페이지들을 리드하는 동작을 포함하는
   스토리지 장치.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 스캔 동작은 상기 복수의 슈퍼블록들 중 일부 슈퍼블록들을 상기 타겟 슈퍼블록들로 선택하는 동작을 포함하고,
   상기 제2 스캔 동작은 상기 복수의 슈퍼블록들 전부를 상기 타겟 슈퍼블록들로 선택하는 동작을 포함하는
   스토리지 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는
   상기 제1 슈퍼블록의 상기 데이터 지속시간이 상기 제1 임계값보다 작은 경우, 상기 미디어 스캔 동작을 스킵하는
   스토리지 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는
   상기 제1 시점으로부터 정해진 시간이 경과한 이후에 상기 제1 슈퍼블록에 이레이즈된 페이지가 남아 있는 경우, 상기 이레이즈된 페이지에 더미 데이터를 프로그램함으로써 상기 제1 슈퍼블록에 포함된 모든 페이지들에 프로그램 동작을 완료하는
   스토리지 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는
   상기 제1 슈퍼블록의 상기 데이터 지속시간 내에, 상기 제1 슈퍼블록이 리드될 때마다 상기 제1 슈퍼블록의 리드 횟수 및 리드 누적시간을 업데이트하고, 상기 리드 횟수 또는 상기 리드 누적시간이 임계값 이상일 때 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 더 수행하는
   스토리지 장치.
   
9. 스토리지 장치에 있어서,
   복수의 비휘발성 메모리들을 포함하고, 상기 복수의 비휘발성 메모리들 각각에 포함된 메모리 블록들로 복수의 슈퍼블록들을 구성하는 메모리 장치; 및
   상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
   상기 컨트롤러는
   호스트로부터의 데이터를 프로그램하기 위해 상기 복수의 슈퍼블록들 중에서 선택된 슈퍼블록을 이레이즈하고, 상기 이레이즈된 슈퍼블록에 데이터를 프로그램하고, 상기 데이터가 프로그램된 슈퍼블록을 가비지 콜렉션 동작을 위한 희생 슈퍼블록으로 선택하며,
   상기 복수의 슈퍼블록들 중 제1 슈퍼블록이 이레이즈된 제1 시점과 상기 제1 슈퍼블록이 상기 희생 슈퍼블록으로 결정된 제2 시점이 하나의 파워 온 기간에 포함된 경우, 상기 제1 슈퍼블록의 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 간격인 데이터 지속시간 정보에 기초하여 상기 복수의 슈퍼블록들의 데이터 지속시간의 통계정보를 포함하는 텔레메트리 로그를 업데이트하고,
   상기 텔레메트리 로그에 기초하여 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 트리거하기 위한 데이터 지속시간의 임계값을 조정하는
   스토리지 장치.
   
10. 스토리지 장치에 있어서,
    복수의 메모리 블록들을 포함하는 메모리 장치; 및
    상기 메모리 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는
    상기 복수의 메모리 블록들 중 어떤 메모리 블록이 이레이즈되고, 상기 메모리 블록에 데이터가 프로그램된 후 상기 데이터가 무효화되기까지의 데이터 지속시간이 임계값을 넘는 경우에 상기 메모리 장치에 대한 미디어 스캔 동작을 수행하며,
    상기 복수의 메모리 블록들의 데이터 지속시간에 대한 통계정보를 생성하고, 상기 통계정보에 기초하여 상기 미디어 스캔 동작이 트리거되는 기준을 조정하는
    스토리지 장치.
    
    

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