TW200414024A - Method for counting beyond endurance limitations of non-volatile memories - Google Patents

Description

200414024 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係大致關於數位計算器及計算方法，尤其係應用 於使用非揮發性記憶體之數位計算器。 【先前技術】 維持其對時間之長期週期而不需要連續電源供應之計 算的數位計算器係為現代電子學不可或缺的一部份。此等 應用之某些典型例子係為數位汽車里程表，用於市售設備 之數位使用表，及需要特殊數字標籤以防止詐欺系統存取 之各交易密碼系統。非揮發性記憶體例如EEPROM及快閃記 憶體，係可永久地儲存資訊而不需要任何附加電力，其係 適於此等應用。

然而，對於使用非揮發性記憶體以計算之應用係有相關 限制。E E P R 0 Μ及快閃記憶體係藉由從浮閘（f 1 〇 a t i n g g a t e ) 射入電子與釋放電子而被程式化（program)與抹除，其係為 典型地由多晶矽製成之半導體結構。重複地程式化與抹除 一浮閘會引起在多晶矽中之電荷被持久捕捉，導致在門檻 電壓中之過時飄移（driftovertime)。最終，這些捕捉電 子將預防更進一步之重複程式化，導致設備故障。記憶體 單元在預期之程式化錯誤前所能持續之最大循環數量係一 般稱做持久循環率。此持久循環率典型地透過大量特徵描 述及評鑑作業而產生。接在單一程式化步驟後之單一抹除 步驟構成單一持續循環。現代非揮發性記憶體設計及製造 技術製造具有在一萬至一百萬間之持久循環率的 EEPR0M 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 5 200414024 與快閃記憶體。在典型E E P R 0 Μ應用中，寫至一位元群組會 引起在此群組中多個位元「擴張」一持續循環，甚至它們 的狀態不會改變。此係因為典型應用可重置整個群組且接 著僅設定應在最終狀態中設定之位元。 為了幫助各種計算方法之描述與解釋，之後將採用下列 之記憶體程式化與抹除協定：程式化代表射入電子至浮閘 中而抹除代表從浮閘釋放電子。當使用二進位表示，該程 式化狀態係由二進位數「0」表示而抹除狀態將由二進位數 「1」表示。當記憶體單元改變狀態從1至0，之後將其稱 做設定單元。當記憶體單元改變狀態從0至1，之後將其 稱做重置單元。 因為持續循環所施加之限制，在任何時候 EEPROM或快 閃記憶體單元係被用作數位計算器之計算位元，使用者必 須考慮該使用記憶體之持續性。例如，在典型二進位計算 器中，對各計算來說，最低效位元（L S Β)係從 0至1或1 至0切換。每次L S Β從1切換至0，第二L S Β則改變狀態， 而每次第二LSB從1切換至0，第三LSB則改變狀態，諸 如此類。因為在二進位計算器中LSB係為最常改變狀態， 故其亦通常將為第一失效之物。假定用於此種應用之 EEPROM單元具有十萬循環之持久循環率，此種計算器可僅 預測具有約二十萬之最大計算限制，之後將預期因為 LSB 程式化錯誤而發生一計算錯誤。或者，該二進位計算器之 最高效位元將會因為其已被重複設定至零而失效。

顯然地，平常二進位計算方法並非最大化給定 EEPROM 6 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 計算器持久循環率之最理想方法，因為對於給定之位元 串，最後顯著之位元在其他位元之前長久消耗其持久循環 週期，而使計算器表現出無效，即使大部分位元仍然具有 大量持久循環週期遺留。為了使給定數量之EEPR0M單元之 計算最大化，或對於期望最大計算所需之EEPR0M之數量最 小化，吾人可設計一種計算方法，其更為平均地沿著所有 E E P R 0 Μ單元展開程式化循環。例如，以格雷碼（G r a y C 〇 d e ) 數字表示之計算一般可將計算器之壽命超出以一般二進位 數字表示之計算的兩倍。 頒予Lippmann等人之美國專利第 4，947，410號「以非 揮發性記憶體計算之方法與裝置」及頒予W e 1 1 s之美國專 利第6，2 4 9，5 6 2號「對快閃記憶體實行最佳化數位計算器 之方法與系統」係為此種計算方法之典型例子。然而，在 上述專利中所描述之計算方法需要記憶體為個別地可程式 化位元且個別地為可抹除位元。換句話說，這些方法無法 應用至不支援個別位元抹除之EEPROM。因為大部分標準產 品之EEPR0M記憶體（例如串列EEPR0M)不支援個別位元抹 除，故期望具有一種計算方法，其可應用於此等記憶體。 與上述計算方法相關之另一限制係為它們典型地需要 二重計算器（duplicate counter)平行地執行以使其從程 式化失效回復。故期望具有一種計算方法，其允許回復而 不需要多餘電路。 【發明内容】 因此本發明之一目的係為提供一種以非揮發性記憶體 7 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 為基礎之數位計算器，其可考慮失效可能性，或藉由將需 要達到特定最大計算之記憶體單元數量最小化而將給定計 算器大小之總計算最大化。本發明之另一目的係為提供一 種計算方法，其可應用於該等不支援個別位元抹除之非揮 發性記憶體。本發明之又另一目的係為提供一種計算方 法，其允許因為寫入抹除失效引起之回復而不需要多餘電 路。 本發明係為以非揮發性記憶體為基礎之數位計算器，其 可藉由沿著各單位平均分佈計算負荷且藉由確認在每個單 元中各狀態單一變化總計為一次計算（ο n e c 〇 u n t )，而最大 化一給定記憶體單元數量之容量。本發明之計算器係由二 個次計算器組成：一主次計算器，其可為一般平常操作之 二進位計算器、格雷碼計算器或二進制編碼十進制 (binary-coded - decimal)計算器，且記錄計算之較重要部 分，一輪轉（rotary)次計算器，其記錄計算之較不重要部 分。在輪轉次計算器中，各輪轉包含在計算器中所有單元 之一次設定及一次重置，且一個單元之各設定及各重置總 計為單一計算。此種具有K個單元之輪轉次計算器將提供 每輪2K之總計算。 該輪轉次計算器沿著如下所述之狀態改變圖案：在輪轉 次計算器中之單元組織成具有1狀態之相等數量單元的群 組，該第一序數係藉由具有第一群組之第一單元被設定成 0狀態之狀態來表現。接著之序數設定係藉由在維持單元 群組中連續地設定類似位置單元來表示。接著之序數設定 8 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 係藉由重置全部單元至ι(除了在最後群組中之單元）來表 示。接著兩個序數係藉由先設定在第一群組中之第二單元 為0且接著重置在先前群組中之最後單元全部為1。在輪 轉組中之剩餘序數係藉由簡單重複單元設定之同樣圖案且 如先前所述般重置直至在輪轉次計算器中之各單元已經精 確地經過一輪之設定及重置來表示，在該點之二進位次計 算器紀錄一計算且該輪轉次計算器再次開始全部動作，以 藉由如先前所述之第一單元圖案表示第一序數作為開始。 因為各單元得到同樣設定與重置之數字，故在所有輪轉計 算器上之損耗係一致。 【實施方式】 在圖1中，顯示由四單元12、14、16及18所組成之輪 轉次計算器與一具有十六單元之二進位次計算器 1 0並 排。在輪轉次計算器中之單元通過在各輪轉循環中改變之 八位元圖案，且各圖案表示八序數之一。各連續圖案改變 包含在不超過一單元中之狀態改變。在輪轉次計算器中之 單元係被組織成在各群組中具有第一單元1 2、1 6之第一群 組20及具有第二單元14、18之第二群組22。序數1係藉 由在所有單元中具有狀態1來表示，但在第一群組20中之 第一單元1 2係在狀態0。序數2係藉由複製在第一群組2 0 至第二群組22中之單元圖案而表示，藉以設定在第二群組 22中之第一單元16為狀態0。在第二群組22中之第一單 元1 6係變黑以指示在特定單元中狀態之改變。序數3係藉 由重置在第一群組20之第一單元12中之0回到1來表示。 9 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 對於不允許個別單元抹除（重置）之該等非揮發性記憶體， 在第一群組20之第一單元12中可藉由重置整個群組來重 置，且其係藉由將第一群組2 0整個變黑來指示。因為在第 一群組中之剩餘單元已經在1之狀態，藉由此群組方式重 置步驟將不會帶來額外之持久循環損失。 序數4係藉由設定在第一群組2 0之第二單元1 4中之狀 態1至狀態0而表示。序數5係藉由重置在第二群組2 2 中所有單元回到1而表示。序數6係藉由複製在第一群組 20中之單元狀態圖案至第二群組22而表示，藉以設定在 第二群組中之第二單元至狀態0。序數7係藉由重置在第 一群組2 0中之單元回到1而表示且序數8係藉由設定在第 一群組2 0中之第一單元1 2至狀態0表示。在此方面，所 有允許在本發明使用4單元之計算方法下之排列已經被耗 盡，所以該二進位計算器1 0紀錄1計算。下一序數，數字 9，係藉由在二進位次計算器中之1及在輪轉次計算器中之 1 1 1 0來表示。藉由同樣標誌，序數1 7係藉由在二進位次 計算器中之1 0及在輪轉次計算器中之1 1 1 0來表示。假設 應用於此計算器中之記憶體單元具有1 0 0，0 0 0循環之持久 率且各循環包含記憶體單元之一設定與重置，接著對此計 算器之最大計算可為 800,000(100Κχ2χ4)。增加至輪轉次 記憶體之各額外單元可增加2 0 0 Κ至最大可能計算。 除了先前指出之優點外，本發明可允許計算回復，由於 在寫入操作期間之電源損失而不需要剩餘電路。假如此電 源失效發生，則下一次系統會看計算數值，其決定是否在 10 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 允許一次序計算情況前，有一中斷寫入且修正該問題。所 有必須執行回復之計算器係位於樣本群組且複製在樣本群 組中之狀態圖案至失效群組上。原因是因為在輪轉次計算 器中總有至少一單元群組其對於該輪轉維持狀態位置為 〇。該失效回復程序之一般外形係孤立失誤位元組，接著在 計算次序中找到位元組已被寫入之位置，且設定該接鄰位 元組之一（在次序中）去滿足在系統中之狀態。假如執行一 失效回復程序，最終值將在中斷計算開始或該計算已經完 成計算前，依據當電源失效時寫入之程度多寡。 在本發明之較佳具體例中，在輪轉次計算器中之單元係 被組織成位元組大小群組，如示於圖 2。為了簡化，將描 述僅使用三位元組之輪轉計算器之計算。然而，一旦描述 該計算方法，吾人可輕易擴大該計算方法以適用於許多描 述之位元組應用。 圖2所示之輪轉次計算器具有2 4單元，其係被組織成 三位元組寬度之單元群組，包括第一單元位元組30、第二 單元位元組32及第三單元位元組34。伴隨24單元，各輪 轉循環係表示4 8個序數。假設對各單元之1 0 0 K循環之持 久力，對此計算器之最大可能計算係為4 8 0萬。第一序數 係再次藉由具有在狀態0之第一位元組3 0中最正確單元來 表示，而在該輪轉次計算器中剩餘位元為狀態 1。第二及 第三序數係藉由連續地設定在個別位元組3 2及3 4中之最 正確單元為狀態0來表示，藉以複製在第一位元組中之圖 案依序成為其他各位元組。第四及第五序數係藉由連續對 11 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 各位元組重置該第一及第二位元組30及32來表示， 使第三（最後）位元組 34僅留下一不同圖案。接著兩 (第六及第七）係藉由設定在該第一位元組 30中之第 正確單元至狀態0來表示，接著重置該第三位元組34 回到 1。接著下列之序數係藉由複製在第一位元組中 圖案至其他各位元組（包括第三及最後位元組）上來連 表示，接著連續重置全部位元組（除了最後位元組）全 到1，接著設定在具有狀態為〇之單一位元之第一位 3 0中之新圖案為狀態0，重置最後位元組全部為1， 複該次序。此過程以類似方式繼續直至在各位元組中 元或位元完整地經過一持久（一設定及一重置）循環。 作為第一位元組、第二位元組等之特定位元組的指 最後位元組係為隨機的，該用以設定且重置之位元組 可為任何隨機順序。當然，該設定及重置順序可甚至 同，假如該第一及最後位元組係兩者皆相同。同樣地 任何位元組中之位元的指定係為第一、第二等被設定 係為隨機的且可在任何被指定順序中執行，假如在全 轉循環期間為一致的。在此計算器方法之實際執行中 使用軟體例行程序或硬體線路，在編碼及設計階段期 計算中之設定及重置程序可被隨機決定。 在輪轉計算器中之單元或位元數字η可使一執行依 望之持久增強而偏離另一個。該單元將會平均地分割 個或多個單元之兩個或多個相等大小群組。在輪轉循 之序數數字總是為2 · η。 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 12 藉以 序數 二最 全部 之新 續地 部回 元組 且重 各單 定至 次序 可不 ，在 為 0 部輪 ，各 間， 據期 成兩 環中 200414024 雖然上面之例子顯示計算器之功能藉由移動在各位元 組中之狀態〇通過狀態1之單元，給予一不同命名約定， 其可輕易被描述作為具有狀態1偏移通過在各位元組中之 狀態0單元。本發明之一重點態樣在於每次計算僅有一單 元變化的事實。本發明之另一態樣在於重置單元之步驟可 藉由重置全部位元組而不對持久循環造成任何損害而實行 的事實。又本發明之另一態樣在於在各順序表示中，存在 至少一位元組可記錄在該輪轉中狀態0之位置。因此，計 算在單一位元組上因為程式化失效可藉由定位該位元組與 正確次序且複製該次序至失效位元組上而校正。 又，因為上述給予之例子分離複製第一群組之一位元圖 案至來自重置此等群組步驟之次序的其他各群組上，除非 在第一群組上之新位元圖案在重置該最後群組前被建立， 吾人亦可構成一循環，其中插入複製及重置。亦即，可定 義一次序其中第一位元圖案係建立在第一群組中，該圖案 係被複製至一第二群組，第一群組則重置，該圖案係被複 製至第三群組，第二群組則重置等，直至該圖案被複製至 最後群組，倒數第二群組則被重置，第二位元圖案係被建 立在第一群組中，最終群組則重置，該複製及重置次序則 繼續使用第二圖案等直至在該輪轉計算器中之各位元被一 次設定與重置。此外，在群組中之各位元圖案係對於該群 組之僅一位元或單元中的特徵為 0。如同先前所述，在此 群組中各位元從1至0改變且僅在每循環回來一次。 例如，在圖 3中，1 2單元係被組織成四個 3位元群組 13 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 40、42、44及46。第一序數係藉由在狀態0之第一群組 40中具有最正確單元而再次表示，而其餘單元係為狀態 1。第二及第三序數係藉由在第二群組42中連續設定最正 確單元且接著在第一群組40中重置所有單元來表示。同樣 設定與重置圖案係對於單元之第三群組44及第四群組46 重複，且各設定/重置表示一個新序數。一旦在該最終（第 四）群組46之最正確單元係設定，接著藉由在第三群組中 所有單元之重置，下一個序數，在此例子中為數字 8，係 藉由在第一群組中設定第二單元來表示。此程序繼續此種 交替設定及重置次序，直至在各群組中之各單元已通過一 全部之持久循環。 在這些全部之例子中，該二進位次計算器如同往常般工 作，但因為其僅記錄該計算最顯著位元，故其持久度係藉 由2 · η之因子而擴展，η係為該輪轉次計算器之位元大小。 該二進位次計算器僅在各完整輪轉計算循環後改變狀態。 任何已知計算方法可被用於該二進位次計算器。除了順序 二進位計算器，可使用其他計算器例如格雷碼數字計算 器、二進位編碼十進位計算器、線性回饋位移暫存器計算 器，及許多其他計算器。 先前所描述之數位計算器係相當適於在一安全晶片中 執行一密碼程序模組。此密碼系統需要一獨特標籤被給至 各執行中以預防各種重演攻擊（replayattack)，在此「舊 的」資訊可被欺騙地再使用。本發明之非揮發性數位計算 器可被使用以將個別密碼執行貼標籤。例如，去執行一需 14 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 要對七年每秒提供一次計算而不中斷之系統，該計算 須可計算上至約2 . 2億（或稍微小於2 2 8 )。假設該使用 揮發性記憶體其特徵及資格為十萬程式化循環之持久 則一個 1 6位元二進位次計算器係需要記錄十萬持久 之最大值及具有 Π00位元之輪轉次計算器需要表示 個序數。用於執行此種使用位元組方式記憶體系統之 器，非揮發性記憶體之1 3 8位元組可為該輪轉次計算 需要。當然也有在密碼系統中這些種類單調計算器 用。例如，其可被用於限制執行數字，其係執行使用 定資源。其亦可被用於形成對不同演算法之獨特初始 流。 【圖式簡單說明】 圖1為顯示4單元輪轉次計算器如何表示8序數及 單元二進位次計算器與4單位輪轉次計算器一起作業 生800, 00Q之最大計算的一組表格。 圖2為顯示在24單元輪轉次計算器中設定與重置 次序以表示48序數的一組表格。 圖3為顯示一執行本發明替代具體例之1 2單元輪 計算器中設定與重置單元之交替次序的一組表格。 (元件符號說明） 10 二進位計算器 12 第一單元 14 第二單元 16 第一單元 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 15 器必 之非 度， 循環 2 2 0 0 計算 器所 之使 一給 向量 一 16 以產 XJX7 一 早兀 轉次 200414024

18 第 二 單 元 20 第 一 群 組 22 第 二 群 組 30 第 一 單 元 位 元 組 32 第 二 單 元 位 元 組 34 第 三 單 元 位 元 組 40 第 一 群 組 42 第 二 群 組 44 第 三 群 組 46 第 四 群 組 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 16

Claims (1)

1. 200414024 拾、申請專利範圍： 1. 一種使用數位計算器之計算方法，該計算器係使用非 揮發性記憶體作為儲存單元，各該單元可儲存第一狀態或 第二狀態，包含下列步驟： a )組織該等單元成為兩群組，一具有J單元之較顯著群 組（MSG)，其係作用為一計算器，以及一具有K單元之較不 顯著群組（LSG)，其係作為一輪轉計算器，其中J為任何大 於1之整數且K為任何大於3之整數； b) 組織該 LSG成為在各次群組中具有 Μ單元之 L次群 組，其中Μ為任何大於1之整數且Μ乘以L係等於Κ，其 中在各LSG次群組中之各單元係在第一狀態； c) 藉由使在第一 LSG次群組中之第一單元被設定為第二 狀態來表示第一序數； d )藉由連續設定在各剩餘L S G次群組中之第一單元至第 二狀態來表示序數之後續設定； e) 藉由連續重置在第一 LSG次群組之第一單元中之第二 狀態回到第一狀態且除了第L個LBG次群組外連續重置所 有剩餘LSG次群組來表示下一個序數組； f) 藉由連續設定在第一 LBG群組中之第二單元至第二狀 態且重置在第L個LBG次群組中之第一單元回到第一狀態； g) 藉由重複上述設定圖案且重置在各LBG次群組中之特 定單元直至在各LBG群組中之各單元被完全設定且重置一 次來表示後續之序數；以及 h )藉由當L S G輪轉計算器再次開始時，以步驟c中所描 17 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 述之第一序數開始來增加計算成為MSG計算器。 2. 如申請專利範圍第1項之計算方法，其中，Μ係等於 8之倍數。 3. 如申請專利範圍第1項之計算方法，其中，設定第一 LBG次群組中之第二位元至第二狀態之步驟係在重置第一 位元組後與重置最後位元組前之步驟被執行。 4. 如申請專利範圍第1項之計算方法，其中，當在LSG 次群組中各單元已經通過一些設定-重置循環，該等循環係 等於使用中之非揮發性記憶體單元之持久循環時，可達到 該最大計算。 5. 如申請專利範圍第4項之計算方法，其中，J值係大 至允許二進位計算上至該持久循環限制。 6. 如申請專利範圍第1項之計算方法，其中，該非揮發 性記憶體允許從該第一狀態設定個別單元至第二狀態，但 重置只能與作為一單位之整個次群組來完成。 7. 如申請專利範圍第1項之計算方法，其中，該計算方 法係在一軟體程式中被編碼。 8. 如申請專利範圍第1項之計算方法，其中，該計算方 法係與邏輯硬體部件執行。 9 . 一種使用數位計算器之計算方法，該計算器係使用非 揮發性記憶體作為儲存單元，各該單元可儲存第一狀態或 第二狀態，包含下列步驟： a)組織該等單元成為兩群組，一具有 J單元之較顯著群 組（M S G )，其係作用為一計算器，以及一具有K單元之較不 18 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 顯著群組（LSG)，其係作為一輪轉計算器，其中J為任何大 於1之整數且K為任何大於3之整數； b) 組織該 LSG成為在各次群組中具有 Μ單元之L次群 組，其中Μ為任何大於1之整數且Μ乘以L係等於Κ，其 中在各LSG次群組中之各單元係在第一狀態； c) 藉由使在第一 LSG次群組中之第一單元被設定為第二 狀態來表示第一序數； d )在重置先前次群組中之所有單元至第一狀態後，藉由 連續設定在下一個次群組中之第一單元至第二狀態來表示 後續之序數； e )當在最後群組中之第一單元被設定至第二狀態，且在 第二至最後群組中之單元係被重置時，藉由連續設定在第 一群組中之第二單元至第二狀態且重置在最後群組中之所 有單元來表示下兩個序數； f)藉由重複上述設定圖案且重置在各LBG次群組中之特 定單元直至在各LBG群組中之各單元被完全設定且重置一 次來表示後續之序數；以及 g )藉由當L S G輪轉計算器再次開始時，以步驟c中所描 述之第一序數開始來增加計算成為MSG計算器。 I 0 .如申請專利範圍第9項之計算方法，其中，Μ係等於 8之倍數。 II .如申請專利範圍第9項之計算方法，其中，設定第 一 L B G次群組中之第二位元至第二狀態之步驟係在重置第 一位元組後與重置最後位元組前之步驟被執行。 19 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123 200414024 1 2.如申請專利範圍第9項之計算方法，其中，當在LSG 次群組中各單元已經通過一些設定-重置循環，該等循環係 等於使用中之非揮發性記憶體單元之持久循環時，可達到 該最大計算。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之計算方法，其中，J值係 大至允許二進位計算上至該持久循環限制。 1 4.如申請專利範圍第 9項之計算方法，其中，該非揮 發性記憶體允許從該第一狀態設定個別單元至第二狀態， 但重置只能與作為一單位之整個次群組來完成。 1 5.如申請專利範圍第 9項之計算方法，其中，該計算 方法係在一軟體程式中被編碼。 1 6.如申請專利範圍第 9項之計算方法，其中，該計算 方法係與邏輯硬體部件執行。 20 326\專利說明書(補件)\93-03\93100123