TW201928688A

TW201928688A - 固態硬碟

Info

Publication number: TW201928688A
Application number: TW106144093A
Authority: TW
Inventors: 侯冠宇; 傅子瑜
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-07-16

Abstract

固態硬碟包含一存儲單元和一主控制器。存儲單元採用三階細胞快閃記憶體，且包含一TLC區塊和一pSLC區塊，其中該pSLC區塊係模擬一單階細胞快閃記憶體之運作。主控制器用來依據固態硬碟之一操作溫度或一預估耗電量來決定在一非主動狀態下執行一背景運作之一第一參數和一第二參數，其中該第一參數為固態硬碟在非主動狀態下每次執行背景運作之間的一暫停時間，而第二參數為固態硬碟每次執行背景運作的一時間長度。

Description

固態硬碟

本發明相關於一種固態硬碟，尤指一種低成本、高讀寫速度和低耗能之固態硬碟。

固態硬碟(solid state disk, SSD)是一種以記憶體配合控制晶片所組成的電腦儲存裝置。和傳統硬碟(hard disc drive, HDD)相比，固態硬碟具有存取速度快、低功耗、低噪音、抗震動，以及低熱量的優點，不僅使得資料能更加安全地得到儲存，而且當應用在靠電池供電的裝置上時可延長連續運轉時間。

固態硬碟之存儲介質可採用動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory, DRAM)或快閃記憶體(flash)。針對flash架構的產品，固態硬碟可採用單階細胞(single-level cell, SLC)、倍階細胞(multi-level cell, MLC)，或三階細胞(trinary-level cell, TLC)的快閃記憶體。高端固態硬碟產品一般採用價格較高的SLC快閃記憶體，其特點是容量小、速度快、可靠性高和存取次數高。中低端固態硬碟產品則多半採用價格較低的TLC快閃記憶體以降低成本，其特點是容量大、速度慢、可靠性低和存取次數低。

因此，需要於一種低成本、高讀寫速度和低耗能之固態硬碟。

本發明提供一種固態硬碟，其包含一存儲單元和一主控制器。該存儲單元採用三階細胞快閃記憶體，且包含一TLC區塊和一pSLC區塊，其中該pSLC區塊係模擬一單階細胞快閃記憶體之運作。該主控制器用來依據該固態硬碟之一操作溫度或一預估耗電量來決定在一非主動狀態下執行一背景運作之一第一參數和一第二參數，其中該第一參數為該固態硬碟在該非主動狀態下每次執行該背景運作之間的一暫停時間，而該第二參數為該固態硬碟每次執行該背景運作的一時間長度。

第1圖為本發明實施例中一種固態硬碟100之功能方塊圖。固態硬碟100包含一存儲單元10、一主控制器20，以及一接口介面30。接口介面30可為PCIe、SATA介面或NVMe介面。主控制器20可視為一個執行韌體(firmware)代碼的嵌入式處理器，主要功能包含錯誤檢查和糾正(ECC)、磨損平衡(wear leveling)、壞塊映射(bad block mapping)、讀出干擾(read disturb)管理、緩存控制、垃圾回收和加密等。

如相關領域具備通常知識者皆知，雖然TCL快閃記憶體價格低廉，但其運作時是在每個細胞內儲存3位元，總共需要8個電壓狀態，不但讀寫速度較慢，多電壓狀態也會導致更多漏電而縮短壽命。SCL快閃記憶體在運作時是在每個細胞內儲存1位元，總共只需要2個電壓狀態，因此讀寫速度較快且壽命較長，但缺點是價格昂貴。MCL快閃記憶體在運作時是在每個細胞內儲存2位元，總共需要4個電壓狀態，其價格、讀寫速度和壽命介於TCL和SCL快閃記憶體之間。

在本發明實施例之固態硬碟100中，存儲單元10採用TCL快閃記憶體，其包含一TLC區塊12和一pSLC區塊14，其中pSLC區塊14可模擬SLC快閃記憶體的運作。亦即，本發明實施例中之固態硬碟100採用TCL快閃記憶體以降低成本，再使用pSLC區塊14來模擬SLC快閃記憶體之運作以提升讀取效能。更詳細地說，pSLC區塊14實質上是TCL快閃記憶體，但在運作時將其TCL記錄結構中的8種電荷狀態透過間隔使用其中兩組，進而提升讀寫速度。當系統處於非主動狀態時(例如進入一休眠模式、一閒置模式，或一低功率模式)，固態硬碟100會將pSLC區塊14內的資料移至TLC區塊12，以讓新資料的讀寫都能使用快速的pSLC區塊14，此種資料移轉之動作稱為背景運作。

固態硬碟100執行背景運作可確保能提供快速的pSLC區塊14，但過於頻繁地執行背景運作也會拉高固態硬碟100的溫度，造成額外的功耗。第2圖為本發明實施例之固態硬碟100在非主動狀態下執行背景運作時之時序圖。本發明可依據固態硬碟100之操作溫度或預估耗電量來決定兩參數BK_TIMEOUT 和BK_DURATION ，其中BK_TIMEOUT 代表每次執行背景運作之間的暫停時間，而BK_DURATION 代表每次執行背景運作的時間長度。因此，本發明之固態硬碟100執行背景運作之方式會同時考量對操作溫度和功耗的影響。

下列表一為本發明實施例之固態硬碟100在非主動狀態下執行背景運作之方式的示意圖。在表一所示之實施例中，本發明係依據固態硬碟100之操作溫度來決定參數BK_TIMEOUT 和BK_DURATION 。在正常溫度範圍的狀態A1~A4下，當固態硬碟100之操作溫度越低，本發明可允許固態硬碟100更頻繁的去執行背景運作(BK_TIMEOUT 越小)，但會縮短執行背景運作的時間長度(BK_DURATION 越小)，以避免因為長時間的背景運作導致系統功耗增加；當固態硬碟100之操作溫度越高，本發明會拉長固態硬碟100每次執行背景運作的間隔(BK_TIMEOUT 越大)，以使固態硬碟100有足夠時間降溫，此時可拉長執行背景運作的時間長度(BK_DURATION 越大)以提供足夠的背景運作總時間。在超出正常溫度範圍的狀態A5下，本發明會禁止固態硬碟100去執行背景運作，例如將BK_TIMEOUT 之值設為無限大。表一

如相關領域具備通常知識者皆知，WINDOWS作業系統支援進階組態與電源介面(Advanced Configuration and Power Interface, ACPI)，其中全域狀態(global state, G-state)僅抽象描寫系統目前的電源狀態，一般來說G0為系統開機狀態、G1為睡眠狀態、G2為軟關機，而G3為硬體關機。全域狀態之電源狀態要如何實作需額外定義，其中相關睡眠狀態(sleeping state, S-state) S1~S5的定義如下：

S0：所有元件正常運作。

S1：CPU停止工作。

S2：CPU關閉。

S3：除了記憶體以外的配件(包含風扇)都停止工作。

S4：將記憶體資料寫入硬碟，所有配件停止工作。

S5：關機狀態。

S4模式通常為系統的預設休眠模式，由於已經把記憶體中的資料完整的存在硬碟中，之後喚醒時就可以直接從硬碟讀到記憶體，因為不需像開機一樣執行一堆應用程式，因此速度比正常開機要快許多。連線待機模式或現代待機模式是WINDOWS作業系統全新的電源管理系統，即當系統進入休眠狀態時，應用程式雖處於暫停(suspend)的狀態，但依舊會與網路維持連線。也就是說，在Metro UI上的應用程式會持續的更新並接收新的資訊，讓使用者能即時隨時地更新裝置上的特定資料或應用程式(例如電子郵件和訊息通知等)。另一方面，其它未在螢幕上執行的應用程式則會暫時停置並儲存其狀態，也就是說不會佔用CPU的功耗以達到有效電源管理之目的。換句話說，當系統在連線待機模式或現代待機模式下運作時，其行為如同智慧型手機一般，雖然螢幕裝置關閉或休眠，但其他應用程式會以低功耗的電源去維持和遠端連結，以讓資訊不會遺漏或延遲更新。系統可針對連線待機模式或現代待機模式制定電源標準，例如，當預估耗電量有機會在16小時內超過5%時，系統會直接進入S4模式。

下列表二為本發明實施例之固態硬碟100在非主動狀態下執行背景運作時之示意圖。在表二所示之實施例中，本發明係依據固態硬碟100之預估耗電量來決定參數BK_TIMEOUT 和BK_DURATION 。在符合連線待機模式或現代待機模式電源標準的狀態B1和B2下，當固態硬碟100之預估耗電量越小，本發明可允許固態硬碟100更頻繁的去執行背景運作(BK_TIMEOUT 越小)，但會縮短每次執行背景運作的時間長度(BK_DURATION 越小)，以避免因為長時間的背景運作導致系統功耗增加；當固態硬碟100之預估耗電量越大，本發明會拉長固態硬碟100執行背景運作的間隔(BK_TIMEOUT 越大)，以延遲固態硬碟100因執行背景運作而消耗能量，此時可拉長執行背景運作的時間長度(BK_DURATION 越大)以提供足夠的背景運作總時間。在超出連線待機模式或現代待機模式電源標準的狀態B3下，本發明會禁止固態硬碟100去執行背景運作，例如將BK_TIMEOUT 之值設為無限大。表二

值得注意的是，上述表一和表二中的數字僅為了說明本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。

本發明採用TLC快閃記憶體來作為固態硬碟之存儲介質以降低成本，再使用pSLC架構來加速讀寫速度，並依據固態硬碟之操作溫度或預估耗電量來決定執行背景運作時的相關參數以控制耗電量。因此，本發明能提供低成本、高讀寫速度和低耗能之固態硬碟。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧存儲單元

12‧‧‧TLC區塊

14‧‧‧SLC區塊

20‧‧‧主控制器

30‧‧‧接口介面

100‧‧‧固態硬碟

第1圖為本發明實施例中一種固態硬碟之功能方塊圖。第2圖為本發明實施例之固態硬碟在非主動狀態下執行背景運作時之時序圖。

Claims

一種固態硬碟，其包含：一存儲單元，其採用三階細胞(trinary-level cell, TLC)快閃記憶體，且包含一TLC區塊和一擬單階細胞(pseudo single-level cell, SLC, pSLC)區塊，其中該pSLC區塊係模擬一單階細胞(single-level cell, SLC, SLC)快閃記憶體之運作；以及一主控制器，用來依據該固態硬碟之一操作溫度或一預估耗電量來決定該固態硬碟在一非主動狀態下執行一背景運作時之一第一參數和一第二參數，其中該第一參數為該固態硬碟在該非主動狀態下每次執行該背景運作之間的一暫停時間，而該第二參數為該固態硬碟每次執行該背景運作的一時間長度。
如請求項1所述之固態硬碟，其中：當該固態硬碟之該操作溫度為一第一值時，該主控制器將該第一參數設為一第二值，並將該第二參數設為一第三值；當該固態硬碟之該操作溫度為一第四值時，該主控制器將該第一參數設為一第五值，並將該第二參數設為一第六值；該第一值大於該第四值；且該第二值大於該第五值。
如請求項2所述之固態硬碟，其中該第三值大於該第六值。
如請求項1所述之固態硬碟，其中：當該固態硬碟之該操作溫度超過一臨界值時，該主控制器將該第一參數設為無限大。
如請求項1所述之固態硬碟，其中：當該固態硬碟之該預估耗電量為一第一值時，該主控制器將該第一參數設為一第二值，並將該第二參數設為一第三值；當該固態硬碟之該預估耗電量為一第四值時，該主控制器將該第一參數設為一第五值，並將該第二參數設為一第六值；該第一值和該第二值符合一連線待機模式電源標準或一現代待機模式電源標準；該第一值大於該第四值；且該第二值大於該第五值。
如請求項5所述之固態硬碟，其中該第三值大於該第六值。
如請求項1所述之固態硬碟，其中：當該固態硬碟之該預估耗電量超過一臨界值時，該主控制器將該第一參數設為無限大。
如請求項1所述之固態硬碟，其中該非主動狀態為一休眠模式、一閒置模式，或一低功率模式。
如請求項1所述之固態硬碟，其中該固態硬碟在該非主動狀態下執行該背景運作係將該pSLC區塊內的資料移至該TLC區塊。
如請求項1所述之固態硬碟，其中該非主動狀態為一休眠模式、一閒置模式，或一低功率模式。