TW201214445A - Secure erase system for a solid state non-volatile memory device - Google Patents

Description

201214445 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明係有關一種固態記憶體裝置，特別β„ 〜疋關於固筚非 揮發性記憶體裝置的安全抹除（secure ^ erase)系统。 【先前技術】 、 . [0002] 快閃（flash)記憶體屬於一種非揮發性田 u態記憶體举署 ，其可被電性抹除及程式化。由於快閃記憶體 | 用於電子系統當中，快閃記憶體的資料安全/ 應 ^ 口而成為目 前的主要課題。 〇 [0003] 當接收到抹除或刪除命令時，大部分的你誓 外蒹系统並非直 正將資料從快閃記憶體移除。實際上，作苹李洗僅 _ 結（link)或位址予以移除或作變更，而實ρ 次 保留於快閃記憶體中，直到資料被覆蓋為"貝料則 . 於真正移 除之别，資料仍可被入侵者操取或回復。 [0004] 〇 因此，許多系統使用安全抹除（或資料棒 *、βw程序，當 接收到安全抹除命令時，則徹底地將資料予以抹除。* 統安全抹除技術通常使用於檔案或磁碟系統，其鏈結= 指標（pointer)與待抹除資料之間具有一對—的^應關 係。因此，關連於鏈結的待抹除資料即可直接且快速地 抹除。然而，此種傳統安全抹除技術卻無法適用於固態 非揮發性記憶體裝置，例如快閃記憶體，其原因在於， 單一鏈結（或邏輯至實體映射）往往對應至快閃記憶體 當中的多個資料單位（groups)。若要將所有資料單位 都予以抹除則要耗費相當的時間，且要搜尋出所有資料 單位也是一項複雜的工作。這些原因往往讓安全抹除變 099138057 表單編號A0101 第3頁/共24頁 0992066319-0 201214445 得困難或甚至不實際。 剛鑑於傳駐全抹除程序無法適綠__發性記憶體 ’因此亟需提出-種新穎的安全抹除系統，其可快速且 有效地對非揮發性記憶體的資料進行安全抹除。 【發明内容】 _6] u上述’本發明實施例的目的之—在於提出—種固態 記憶體I置的安全抹除系統，用以減少安全抹除的時間 ，且防止入侵者對資料進行回復。 國根據本發”施例，固態記憶體裝置的安全抹除系統包 含記憶體區域、轉換（translation)單元及加密單元 。記憶體區域提供一資料區塊，用以儲存資料，及提供 一金鑰區塊，用以儲存至少一金鑰。轉換單元將記憶體 區域相關的一邏輯位址映射至一實體位址。加密單元使 用相應之金鑰，將寫入記憶體區域的明文資料予以加密 ，且使用相應之金鑰，將主機所讀取之加密資料予以解 密。其中，當接收一命令以要求將一邏輯抹除單位（1〇_ gical erase group)的相應資料予以抹除時，則將該 邏輯抹除單位相應之金鑰予以删除。 【實施方式】 [0008]第一圖之方塊圖顯示本發明實施例之固態記體裝置的安 全抹除（secure erase)系統。固態記憶體裝置可以是 固態非揮發性記憶體裝置，例如反及閘（N AND )快閃記 憶體或相位改變（phase change)記憶體，但不限定於 此。 099138057 表單編號A0101 第4頁/共24頁 0992066319-0

201214445 L0009J Ο 在本實施例中’安全抹除系統包含前端（front end) 裝置11、加密（encryption)單元13、控制器15、轉 換（translation)單元17及記憶體區域19。其中，前 端裝置11作為安全抹除系統與主機（例如電腦或處理器 )之間的介面。常見的前端裝置有安全數位卡（Secured Digital，SD)、多媒體卡（MultiMediaCard，MMC) '内嵌式MMC (embedded MMC，eMMC)、序列進階技術 附加裝置（Serial Advanced technology Attachment, SATA) 、 周邊元件快速連接 （peripheral Component Interconnect Express，PCIe)、整合 驅動電路（Integrated Drive Electronics, IDE) 、通用序列匯流排（Univers兵1 Serial Bus, USB) 、IEEE 1394及智慧卡（SmartCard)。 [0010] G [0011] 記憶體區域19可分為使用者子區域i9A及系統子區域ΐ9β 。每一子區域可再分割為多個區塊。使用者子區域19A通 常用於儲存使用者資料，但不限定於此；系統子區域19B 通常用以儲存系統程式及相關參數。可根據個別應用以 分割記憶體區域1 9並安排每一子區域的配置。 根據本實施例的特徵之一，如第二圖所示，加密單元13 使用相應加密金鑰（或簡稱金鑰）將明文（plain text )資料予以加密後寫入記憶體區域19，且使用相應金錄 將加密資料（或密文資料（ciphertext data))予以 解密後讀至主機。加密資料儲存於記憶體區域19的資料 區塊，而金鑰則儲存於記憶體區域丨9的金鑰區塊。上述 之資料區塊及金錄區塊可位於同一子區域（例如使用者 099138057 表單編號A0101 第5頁/共24頁 0992066319-0 201214445 子區域1 9 A )的相同或相異儲存單位（記憶區塊或記憶頁 ，如以NAND型快閃記憶體而言，記憶區塊可為記憶體區 域中隶小的抹除單位，記憶頁為最小的寫入單位。），也 可位於相異子區域（例如使用者子區域19A及系統子區域 1 9 B )中的儲存單位（記憶區塊或記憶頁）。換句話說，金 鑰區塊可位於使用者子區域19A、系統子區域19β或記憶 體區域19的備用區（圖未示）。 [0012] [0013] 本實施例的加密單元〗3採用對稱金鑰演算法（sy_et_ ric-key algorithm)，其對每一資料或每一邏輯抹除 單位（logical erase group)產生單—金鑰該金鑰 可使用硬體或軟體的乱數產生器來產生。控制5監督 前端裝置11、加密單元13及記憶體區域19，用以從記憶 體區域19讀取資料至主機，或者從主機將資料寫入記憶 體區域19。第三A圖顯示從記憶體區域19讀取資料的流程 圖’而第三B圖顯示將資料寫人記憶體區⑽的流程圖。 如第三A®所㈣資料讀取流程，域首先發出讀取命令 (步驟31)。接著，於步_，控制印讀取儲存於全 錄區塊的金輪。如果金鑰存在（步驟33)，則加密單元 13使用金賴儲存於記憶體區域㈣加密⑽予以解密 〇驟34)，否則，產生異於原始讀取資料的預設樣 (例如全為或M”的樣式）並儲存於緩衝器内（ 步驟35)，用以表示無效資料或未有資料。最後，於+ 驟36 ’將解密資料或預設樣式送至主機。 " [0014] 如第三B圖所示的資料寫入流程 (步驟37)。接著，於步驟38 099138057 表單編號A0101 第6頁/共24頁 ，主機首先發出寫入命令 控制器1 5讀取铸存於金 0992066319-0 201214445 錄區塊的金鑰《如果金鑰不存在（步驟39)，則產生一 新金鑰（步驟40)，並將金鑰儲存於金鑰區塊（步驟41 )。接著，於步驟42，加密單元13使用已存在金鑰或產 生之金鑰將資料予以加密◊最後，於步驟43，將加密資 料寫至記憶體區域19。 [0015] Ο 轉換單元17使用快閃記憶體轉換層（flash transla-tion layer，FTL)將邏輯區塊位址（1〇gical bl〇ck address，LBA)映射至實體區塊位址（physical block address，PBA)。其中，邏輯區塊位址“βΑ) 了由主機來疋址，而實體區塊位址（PBA)則由控制器η 來定址。對於快閃記憶體，其通常會使用頁層級演算法 (Page level algorithm)及區塊級萼％法（ block level algorithm)。第四Λ圖至第四d圖顯示採 用頁層級演算法以進行資料寫人時，邏輯區塊位址（lba )和實體區塊位址（PBA)之間的一系列映射。在此特殊 例子中，主機將資料多:欠（例如η次）寫至記憶體區域Η 的相同邏輯位址。如圖所示，由於頁層級演算法係為一 種乂-己錄（log)為基礎的演算法，因此當主機將資料寫 至同邏輯位址時，其更新頁會被置放於不同的實體位 址。因此，從舊的至最新的更新頁會佔用記憶體區域^ 總共η頁記憶體空間。 [0016] 第五Α圖至第五c圖顯示採用區塊層級演算法以進行資料 寫入時，邏輯區塊位址（LBA)和實體區塊位址（pBA) 之間的一系列映射。在此特殊例子中-，主機將資料多次 (例如3次）寫至記憶體區域19的相同邏輯位址。如圖所 099138057 表單編泼A0101 第7頁/共24頁 0992066319-0 201214445 示，當主機將資料寫至同一邏輯位址時，其更新區塊會 被置放於記憶體區域1 9中的其中之一可用的記憶區塊（如 s己憶區塊B 0或s己憶區塊B1)。因此，最新的及其前一個更 新區塊會佔用記憶體區域1 9總共二區塊記憶體空間。 [00Π]無論是頁層級演算法（第四A圖至第四β圖）或者區塊層 級演异法（弟五Α圖至第五C圖），當主機將資料寫至同 一邏輯位址時，資料會存放於記憶體區域19的多組記憶 體空間或資料儲存單位。 [0018]根據本實施例的另一特徵，當主機發出安全抹除命令時 ，該命令要求將邏輯抹除單位（logical erase group )的相應資料予以抹除，則只要將該資料或邏輯抹除單 位相應的金鑰予以刪除◊一般來說，每一邏輯抹除單位 (其可為記憶體區域1 9可定義之任何資料抹除單元）可 相應一金鑰。第六圖顯示本發明實施例之安全抹除資料 的流程圖。首先，於步驟61，主機發出安全抹除命令。 接著，於步驟62，讀取儲存於金鑰區塊的金鑰。如果存 在有金鑰（步驟63)，則刪除該金鑰，例如藉由快閃記 憶體的抹除命令（步频）。t金輪被刪除後，則相應 的加密資料則無法再予以回復。雖然本實施例的安全抹 除命令係由主機所發出，然而安全抹除命令也可由安全 抹除系統本身（例如控制器15)來發出。 [0019] 099138057 第七A圖至第七B圖顯示本發明實施例中採用頁層級演算 法的—個安全抹除例子。如第七八圖所示，於進行安全抹 除之前，相應於不同邏輯位址的（加密）資料丨及資料2 位於實體區塊i及區塊2。較大計數值Cnt即表示相應的資 0992066319-0 表單編號A0101 第8頁/共24頁 201214445 料較晚寫入實體區塊内。如心 n 門例如，Cnt = 6的相應資料2比

Cnt = 5的相應資料2較眵宜Λ杳地广 尤冩入實體區塊2内。再者，資料1 及資料2的相應金鑰儲存於金鑰區塊内。 [_ #第七B圖所示’於進行安全抹除之後資料2的金餘被 刪除，並儲存一新金鑰。在另一實施例中，並不需要在 • 資料2被抹除時立即產生該新金鑰。取而代之的是，在進 行下一寫入操作時才產生該新金鑰。於圖示的例子中， 由於Cnt = l至6之資料2所對應之金錄已被刪除’因此’資 0 料2即無法再被正確的讀取並予以回復。 [0021] 藉此’相較於傳統安全抹除方法係將資料一個一個地進 .................. 行抹除，本發明實施例之安全抹除系統於進行安全抹除 時的執行速度將較傳統方法來得快。 [0022] 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定 本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精 神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請 專利範圍内。 ❹ 【圖式簡單說明】 [0023] 第一圖之方塊圖顯示本發明實施例之固態記體裝置的安 全抹除系統。 第二圖顯示第一圖之加密單元進行資料加密及解密。 第二A圖顯示從記憶體區域讀取資料的流程圖。 第三B圖顯示將資料寫入記憶體區域的流程圖。 第四A圖至第四d圖顯示採用頁層级演算法以進行資料寫 入時’邏輯區塊位址（LBA)和實體區塊位址（PBA)之 099138057 間的一系列映射 表單編號A0101 第9頁/共24頁 0992066319-0 201214445 第五A圖至第五c圖顯示採用區塊層級演算法以進行資料 寫入時，邏輯區塊位址（LBA )和實體區塊位址（pba ) 之間的一系列映射。 第六圖顯示本發明實施例之安全抹除資料的流程圖。 第七A圖至第〇圖顯示本發明實施例中採用頁層級演算 法的一個安全抹除例子。 【主要元件符號說明】 [0024] 1 1 前端裝置 加密單元 控制器 17 19 19A 19B 31-36 37-43 61-64 轉換單元 記憶體區域 使用者子區域 系統子區域 步驟 步驟 步驟 099138057 第10頁/共24頁 0992066319-0

Claims (1)

1. 201214445 七、申請專利範圍： 1 · 種固態έ己憶體裝置的安全採除系統，包含： -記憶體區域’其提供一資料區塊，用以儲存資料 ，及一金鑰區塊，用以儲存至少一金鑰； 一轉換（translation)單元，用以將該記憶體區 • 域相關的一邏輯位址映射至一實體位址；及 一加密單70，其使用相應之該金鑰，將寫入該記憶 體區域的明文資料予以加密，且使用相應之該金鑰將一 0 主機所讀取之加密資料予以解密； 其中，當接收一命令以要求將一邏輯抹除單位（ logical erase group)的相應該資料予以抹除時則 將該邏輯抹除單位相應之該金餘予以刪除。 2 .如申請專利範圍第丨項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，其令上述之記憶體區域為一固態非揮發性記憶體裝置 〇 3 .如申請專利範圍第2項所述固態記億體裴置的安全抹除系 D ’其巾上述之mu非揮發性錢體裝置為㈣記憶體或 相位改變（phase change)記憶體。 4 .如申請專利範圍第1項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，更包含一前端裝置，作為該安全抹除系統的介面。 5 .如申請專利範圍第4項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，其中上述之前端裝置為下列之一：安全數位卡（ Secured Digital，SD)、多媒體卡（ MultiMediaCard，MMC)、内嵌式MMC (embedded MMC，eMMC)、序列進階技術附加裝置（Serial 099138057 表單編號A0101 第11頁/共24頁 0992066319-0 201214445 Advanced technology Attachment, SATA)、周邊 元件快速連接（Peripheral Component Interconnect Express，PCIe)、整合驅動電路（ Integrated Drive Electronics，IDE)、通用序列 匯流排（Universal Serial Bus, USB)、IEEE 1394 及智慧卡（SmartCard)。 6 .如申請專利範圍第丨項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，其中上述之記憶體區域分為：一使用者區域，用以儲 存使用者資料；及-系統區域，用以儲存系統程式及相關 參數。 如申請專利範圍第1項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統’其中上述之貢料區塊及該金賴塊位於該記憶體區域 之一子區域的相同或相異儲存單位。 如申請專利範圍第丨項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統’、其中上狀諸輯及該金縣塊分卿於該記^體 區域之不同子區域的儲存單位。

   10 . 如申請專利範圍第1項所述固態記憶體I置的安全抹除系 統其中上述之金錄區塊位於該記憶體區域的一使用者子 區域、一系統子區域或一備用區。 如申請專㈣㈣1項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統’其中上述之加密單元採用對稱金鑰演算法（ 099138057 11 . aig〇rithm) 丁虫艰0 =申^利範圍第1項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 '、上述之金餘係由-亂數產生器所產生。 、 Γ請專利範圍第4項所述固態記憶體裝置的安全抹㈣ 、、:更包含一控制器’其監督該加密單 及 表早編號A0101 ^ 10 ^ 衣置及 弟丨2頁/共24頁 0992066319-0 12 . 201214445 5亥a己’fe體區域’用以從該記憶體區域讀取資料至該主機， 或者從該主機將資料寫入該記憶體區域。 13 ·如申請專利範圍第12項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，於接收到一讀取命令後，該控制器讀取儲存於該金鑰 區塊的金鑰；如果該金鑰存在，則該加密單元使用該金鑰 將儲存於該記憶體區域的加密資料予以解密並送至該主機 :否則，產生一預設樣式至該主機，用以表示無效資料或 未有貧料。 14 .如申請專利範圍第12項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，於接收到一寫入命令後，該控制器讀取儲存於該金鑰 區塊的金鑰；如果該金鑰不存在，則產生一新金鑰並儲存 於該金鑰區塊；使用已存在之該金鑰或產生之該新金鑰將 待寫入資料予以加密，並將該加密資料寫至該記憶體區域 15 .如申請專利範圍第1項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，其中上述之邏輯位址係藉由一快閃記憶體轉換層（ Q nash translation hyer, FTL)將其映射至該實體 位址。 16 .如申請專利範圍第15項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 統，其中上述之快閃記憶體轉換層採用頁層級演算法（μ Page level algorithm)或區塊層級演算法 ievel algorithm)。 .如申5月專利！巳圍第1項所述固態記憶體褒置的安全抹除系 統’其中上述之邏輯抹除單位係為該記憶體區域可定義之 資料抹除單元。 099138057 °"2〇66319-〇 如申請專利範圍第1項所述固 表單編號A0101 第13頁/共24 έ己憶體裝置的安全抹除系 頁 18 . 201214445 統’其_上述之命令係由一主機所發出。 19 ^由 •如肀請專利範圍第〗2項所述固態記憶體裝置的安全袜^ 統，其中上述之命令係由該控制器所發出。 务、 20 ·如申請專利範圍第！項所述固態記憶體裝置的安全抹除系 、'先於接收到該命令後，從該金鑰區塊讀取該金鑰；如果 β亥金鑰存在，則將該金鑰刪除。 099138057 表單編號Α0101 第14頁/共24頁 0992066319-0