TW201931140A - 儲存裝置操作方法及其應用其的儲存系統 - Google Patents

Abstract

一種儲存裝置操作方法，由處理電路執行，儲存裝置操作方法包括：執行非讀取指令；以及在執行非讀取指令的執行期間內，自儲存裝置的多個儲存單元中挑選目標儲存單元，並對目標儲存單元執行特定程序。特定程序包括：對虛擬讀取佇列提供虛擬讀取指令，其中該虛擬讀取指令包括目標儲存單元的實體位置；根據虛擬讀取佇列，在執行期間內安排對目標儲存單元進行虛擬讀取操作。

Description

儲存裝置操作方法及其應用其的儲存系統

本揭露是關於一種儲存裝置操作方法及其應用其的儲存系統。

為滿足高容量、低成本的資料儲存需求，具有三維(3D)堆疊結構的儲存裝置被提出。相較於二維(2D)結構的儲存裝置，具有3D堆疊結構的儲存裝置因為記憶胞(memory cell)之間的排列更加緊密、且數量更加龐大，字元線的負載效應明顯，導致列解碼器(row decoder)有較高的機率會發生讀取錯誤，並需要進行再次讀取(retry read)。進行再次讀取時，列解碼器需要調整原本的讀取閥電壓設定，以類似嘗試錯誤法(trial and error)的方式尋找出合適的讀取閥電壓設定。然而，此作法往往會導致讀取時間的延遲，造成主機端資料讀取的不流暢。

本揭露是關於一種儲存裝置操作方法及其應用其的儲存系統，可透過對儲存單元執行虛擬讀取(dummy read)操作，使相關字元線的負載效應(如字元線的離散電容)回復至穩定狀態。透過此方式，列解碼器隨後在回應主機的讀取指令對相關字元線作驅動時，將不會因字元線負載效應的不穩定而導致讀取失敗。

根據本揭露一實施例，提供一種由處理電路執行的儲存裝置操作方法，其包括以下步驟：執行非讀取指令；以及在執行非讀取指令的執行期間內，自儲存裝置的多個儲存單元中挑選目標儲存單元，並對目標儲存單元執行特定程序。特定程序包括：對虛擬讀取佇列提供虛擬讀取指令，其中該虛擬讀取指令包括目標儲存單元的實體位置；根據虛擬讀取佇列，在執行期間內安排對目標儲存單元進行虛擬讀取操作。

根據本揭露一實施例，提供一種儲存系統，其包括儲存裝置以及控制器。儲存裝置包括多個儲存單元。控制器耦接儲存裝置，並經配置而用以：執行非讀取指令；以及在執行非讀取指令的執行期間內，自多個儲存單元中挑選目標儲存單元，並對目標儲存單元執行特定程序。特定程序包括：對虛擬讀取佇列提供虛擬讀取指令，其中虛擬讀取指令包括目標儲存單元的實體位置；以及根據虛擬讀取佇列，在執行期間內安排對目標儲存單元進行虛擬讀取操作。

為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

本揭露提出一種儲存裝置操作方法及其應用其的儲存系統。本揭露的儲存裝置操作方法可由一或多個處理電路執行。處理電路可例如透過微控制單元(microcontroller)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor)、特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)、數位邏輯電路、現場可程式邏輯閘陣列(field programmable gate array，FPGA)等具有運算處理功能的電子電路來實現。在一實施例中，處理電路例如是儲存裝置的控制器(controller)。在另一實施例中，針對不具有控制器的儲存裝置，處理電路泛指設置於主機及/或儲存裝置上，用以執行本揭露之儲存裝置操作方法的軟/硬體元件集合。

第1圖繪示依據本揭露一實施例的儲存系統102的方塊圖。儲存系統102包括控制器106以及儲存裝置108。主機104(例如個人電腦)可對儲存系統102發送主機指令以存取儲存裝置108中的資料。控制器106可回應主機指令安排對儲存裝置108的操作。儲存裝置108可例如透過非揮發性記憶體(non-volatile memory，NVM)、硬碟、光碟、磁帶或其它的儲存設備來實現。儲存裝置108包括多個儲存單元。根據不同的應用，儲存單元可表示為區塊(block)、資料頁(page)、區段(sector)、或其他存取單位。

控制器106耦接儲存裝置108。根據第1圖的實施例，控制器106包括彼此耦接的處理單元110、主機介面112、記憶體114以及儲存裝置介面116。處理單元110例如是處理器。處理單元110可執行一或多個程序，以透過與記憶體114和各介面112、116的協作，執行本揭露實施例的儲存裝置操作方法。

主機介面112可自主機104接收主機指令(如寫入指令、讀取指令、抹除指令等)，並將其置入對應的佇列(queue)當中。

記憶體114包括轉換單元118以及虛擬讀取佇列120。轉換單元118例如是快閃記憶體轉換層(flash translation layer，FTL)，或是其他可將主機指令的邏輯位置轉換成儲存裝置108中對應實體位置的邏輯。處理單元110可從主機介面112的佇列中挑選欲執行的主機指令。轉換單元118再將被選的主機指令轉換成對應的實體位置，以透過儲存裝置介面116中的執行佇列對儲存裝置108執行相應的操作。

處理單元110更可根據主機介面112中讀取指令佇列的讀取指令，判斷是否對儲存裝置108執行虛擬讀取操作。若是，處理單元110將對虛擬讀取佇列120存入包括特定實體位置的虛擬讀取指令。

根據本揭露實施例，處理單元110在執行非讀取指令的執行期間，可對儲存裝置108中的目標儲存單元穿插執行一或多個虛擬讀取操作。

虛擬讀取操作可透過任意的讀取操作來實施，像是針對單階記憶胞(single level cell，SLC)的讀取操作(例如，對讀取目標施加單個讀取閥電壓)，或是針對多階記憶胞(multi level cell，MLC)的讀取操作(例如，對讀取目標施加多個不同的讀取閥電壓)。

與一般讀取操作的差別在於，虛擬讀取操作只是對目標儲存單元執行如同讀取的操作，但儲存單元的資料並不會透過儲存裝置介面到控制器的記憶體上 。換言之，虛擬讀取可以比一般讀取操作更快速執行完成。

透過虛擬讀取操作的執行，可對讀取目標的相關字元線進行充電而使其負載效應(如字元線上的離散電容)處於穩定狀態。一旦字元線的負載效應是穩定的，儲存裝置108中的列解碼器(未繪示)隨後在對字元線作驅動時，將不會因為字元線負載狀態的不穩定而導致無法透過預設的讀取閥電壓設定進行資料讀取。關於字元線的負載效應變化，將配合第4圖作說明。

另一方面，由於虛擬讀取操作的目的並不在於進行資料讀取，故虛擬讀取操作的實施類型與目標儲存單元中資料儲存的類型並不需要相對應。舉例來說，無論目標儲存單元中的記憶胞是被規劃成SLC還是MLC，虛擬讀取操作皆可被實施成SLC的讀取操作，也就是對虛擬讀取目標施加單一個讀取閥電壓。同理，虛擬讀取操作亦可被實施成MLC的讀取操作。

除了在非讀取指令的執行期間對儲存裝置108穿插執行虛擬讀取操作，在一實施例中，處理單元110更可在主機104未對儲存系統102操作時，以背景操作(background operation)的方式主動對儲存裝置108中特定的一或多個儲存單元群組執行虛擬讀取操作。

根據此實施例，每個或每一群儲存單元(例如：一個區塊，一頁資料頁…等等)會被賦予一對應的計數器以記錄該些儲存單元的存取次數，例如被讀取的次數。

處理單元110可根據該些儲存單元的存取次數，將該些儲存單元分類成對應不同存取次數區間的多個群組。不同的存取次數區間分別表示一存取次數的範圍。透過此分類，每個群組係對應一特定的讀取冷熱程度。

舉例來說，按照儲存單元的存取次數，可將存取次數落在第一存取次數區間的儲存單元劃分至「總是被讀取」的群組G1、並將存取次數落在第二存取次數區間的儲存單元劃分至「經常被讀取」的群組G2、並將存取次數落在第三存取次數區間的儲存單元劃分至「偶而被讀取」的群組G3、以及將存取次數落在第四存取次數區間的儲存單元劃分至「鮮少被讀取」的群組G4。其中第一存取次數區間的存取次數下限≧第二存取次數區間的存取次數上限；第二存取次數區間的存取次數下限≧第三存取次數區間的存取次數上限；第三存取次數區間的存取次數下限≧第四存取次數區間的存取次數上限。因此，群組的讀取冷熱程度由「熱」至「冷」依序為G1、G2、G3、G4。

接著，處理單元110可紀錄主機指令的發送頻率，並根據主機指令發送頻率，對多個群組中的一或多個群組執行虛擬讀取操作。主機指令發送頻率例如是指主機104對儲存系統102發送讀取指令(或其他主機指令)的頻率。

以下表一為例：

表一

根據表一的例子，若主機104頻繁對儲存系統108存取資料，處理單元110將透過背景操作對儲存裝置108中的全部群組或大部份群組執行虛擬讀取操作，以確保資料讀取的正確性。反之，處理單元110將僅對部分讀取冷熱程度相對「熱」的群組進行虛擬讀取操作，甚至不採行虛擬讀取操作。

第2圖繪示在非讀取指令的執行期間對儲存裝置108穿插虛擬讀取操作的示意圖。如第2圖所示，主機介面112包括接收非讀取指令CMD_nr 的非讀取指令佇列202以及接收讀取指令CMD_r 的讀取指令佇列204。非讀取指令CMD_nr 泛指任何非指示執行讀取操作的記憶體操作指令，例如寫入指令、抹除指令、修改(trim)指令等。

轉換單元118包括映射表210，可將主機指令(例如非讀取指令CMD_nr 以及讀取指令CMD_r )的邏輯位置映射至儲存裝置108中的實體位置。轉換單元118更可將主機指令轉換成一或多個欲執行於儲存裝置108的操作。舉例來說，轉換單元118可回應主機104的寫入指令，安排在多個子期間中對儲存裝置108執行寫入操作。不同操作的執行順序係透過儲存裝置介面116中的執行佇列208來實現。如第2圖所示，執行佇列208中的第一、三個執行單位係針對非讀取指令CMD_nr 的非讀取操作，執行佇列208的第二個執行單位係針對虛擬讀取指令CMD_dr 的虛擬讀取操作。

根據第2圖的實施例，處理單元110在執行非讀取指令CMD_nr 的執行期間內，可對讀取指令佇列204中的讀取指令CMD_r 進行檢查，以判斷是否需對儲存裝置108執行相應的虛擬讀取操作。

在一實施例中，處理單元110在執行非讀取指令CMD_nr 的執行期間內，一旦檢查到讀取指令佇列204中的存有讀取指令CMD_r ，即會安排對應該讀取指令CMD_r 的虛擬讀取操作。根據此實施例，讀取指令CMD_r 的邏輯位置會先被轉換成一對應的實體位置並作為虛擬讀取操作指令CMD_dr 存入虛擬讀取佇列120當中。接著，處理單元110會對執行佇列208插入虛擬讀取佇列120中的指令，以在儲存裝置108閒置時對儲存裝置108的特定實體位置執行虛擬讀取操作。

透過此方式，控制器102後續在執行針對讀取指令CMD_r 的讀取操作(實際欲讀取資料的操作)時，由於對應的欲讀取儲存單元已先執行過虛擬讀取操作，故相關的字元線的負載效應係處於穩定狀態，儲存裝置108中的列解碼器(未繪示)將不會因字元線負載效應的不穩定而導致預設的讀取閥電壓設定讀取失敗。

又一實施例中，處理單元110在執行非讀取指令CMD_nr 的執行期間內，會檢查讀取指令佇列204中的讀取指令CMD_r 是否符合一特定條件，並在判斷符合時，才會對虛擬讀取佇列120加入對應的虛擬讀取操作指令CMD_dr ，以於執行佇列208中穿插執行對應的虛擬讀取操作。

進一步說，處理單元110可在執行非讀取指令CMD_nr 的執行期間內，檢查讀取指令佇列204中讀取指令CMD_r 。此檢查程序例如包括：取得對應讀取指令CMD_r 的欲讀取儲存單元的最後存取時間；取得執行檢查程序的當前時間；計算最後存取時間與當前時間之間的差值；以及回應於判斷出該差值超過一容忍值，將該欲讀取儲存單元選作虛擬讀取操作的執行對象，也就是目標儲存單元，否則該欲讀取儲存單元不被選作目標儲存單元。

這是因為位元線一旦經過存取，其離散電容的穩定狀態通常可維持數分鐘左右，若列驅動器在此期間內對該位元線作驅動，仍可確保採用預設讀取閥電壓設定進行讀取的正確性。因此，若處理單元110偵測出讀取儲存單元的最後存取時間與當前時間之間的間隔在容忍值(如3分鐘)內，將判斷不需對該儲存單元執行虛擬讀取操作，以減少虛擬讀取操作的執行次數，進而避免對儲存單元造成不必要的讀取干擾(read disturbance)。

在一實施例中，虛擬讀取佇列120可設置於儲存裝置108當中。根據此實施例，控制器106可對儲存裝置108發送虛擬讀取指令，其中虛擬讀取指令係指示儲存裝置108需要執行虛擬讀取操作的目標儲存單元。若儲存裝置108處於閒置狀態時接收到來自控制器106的虛擬讀取指令，將根據虛擬讀取指令對目標儲存單元執行虛擬讀取操作。反之，若儲存裝置108未接收到虛擬讀取指令，則將繼續維持閒置狀態。

第3圖繪示針對儲存裝置108的一例操作序列圖。根據第3圖的實施例，非讀取指令的執行期間包括彼此分離的多個子期間SI₁ ~SI_M ，其中M為大於1的正整數。回應於來自主機104的一非讀取指令，處理單元110可對儲存裝置108執行多個非讀取操作，其中該些非讀取操作係在子期間SI₁ ~SI_M 內執行。在子期間SI₁ ~SI_M 中相鄰兩者之間的間隔期間內，如間隔期間DI₁ 、DI₂ ，處理單元110可對目標儲存單元安排執行虛擬讀取操作。

如第3圖所示，轉換單元118可將一非讀取指令轉換成多個非讀取操作子指令，並在子期間SI₁ ~SI_M 對儲存裝置108執行。處理單元110可將虛擬讀取操作指令安排在非接續的兩個子期間(如子期間SI₁ 、SI₂ )之間，以於執行非讀取操作的空檔期間(如間隔期間DI₁ 、DI₂ )對目標儲存單元執行虛擬讀取操作。

第4圖繪示儲存裝置中字元線的離散電容的電位隨時間變化的示意圖。如前述，字元線上的離散電容會影響列解碼器在對字元線驅動時的負載效應。一般來說，若一字元線上的記憶胞許久未經讀取，該字元線上的離散電容將因電荷散失而處於不穩定狀態，導致列解碼器在對該字元線作驅動時，需要反覆調整預設讀取閥電壓的大小以重新尋找合適的讀取閥電壓設定來讀取記憶胞上的資料。此種情況對於具有3D堆疊或其他緊密排列結構的儲存裝置(如3D NAND快閃記憶體)而言，尤其明顯。

如第4圖所示，在時間T1到T2的期間Δst之內，字元線上的離散電容電位因為前次的讀取操作/虛擬讀取操作而被充電至穩定狀態。若列解碼器在此段期間Δst之內，例如期間Δth，對字元線作驅動，則列解碼器將可透過預設的讀取閥電壓正確地進行資料讀取。反之，若列解碼器在期間Δst之外對字元線作驅動，則列解碼器將可能因為字元線上離散電容的不穩定而導致讀取失敗。

在一實施例中，可透過一全域計時器，例如即時時鐘(real time clock，RTC)，來記錄每個儲存單元的最後被存取時間。處理單元110在判斷是否要對一儲存單元執行虛擬讀取操作時，處理單元110會先計算從該儲存單元的最後被存取時間到當前時間的差距是否大於期間Δth的長度(容忍值)。若是，則表示該儲存單元的相關字元線可能處於不穩定狀態，而有需要在該儲存單元實際被讀取資料前，先透過虛擬讀取操作將其充電回復至穩定狀態。反之，則可選擇不對該儲存單元執行虛擬讀取操作，以節省執行虛擬讀取操作的次數。

第5圖繪示依據本揭露另一實施例的儲存系統500的方塊圖。在此實施例中，儲存系統500包括主機502以及儲存裝置504。儲存裝置504並不像儲存裝置108有自身的控制器106，而是直接受控於設置於主機502的驅動模組506。

驅動模組506可例如以軟體元件(如程式、檔案、指令、資料)、硬體元件(如邏輯電路)或兩者的組合來實現。驅動模組506包括讀取指令佇列508以及非讀取指令佇列510，並可執行本揭露實施例的儲存裝置操作方法。由於驅動模組506的作動與前述實施例中的控制器106近似，故此處不另贅述。

第6圖繪示根據本揭露一實施例的儲存裝置操作方法的流程圖。所述之儲存裝置操作方法可由處理電路來實施，例如(但不限於)第1圖中的控制器106或第5圖的驅動模組506。

在步驟S602，處理電路執行非讀取指令。

在步驟S604，處理電路在執行非讀取指令的執行期間內，自儲存裝置的多個儲存單元中挑選目標儲存單元。挑選目標儲存單元的方式例如是：(1)從多個儲存單元中挑選與讀取指令佇列中讀取指令相對應的儲存單元，此對應之儲存單元具有轉換自讀取指令之邏輯位置的實體位置；或是(2)在符合條件(1)的儲存單元中，挑選更符合一特定條件者，例如存取時間間格超過容忍值(例如超過第4圖的期間Δth)的儲存單元。

在步驟S606，處理電路對目標儲存單元執行特定程序，其中特定程序包括：對虛擬讀取佇列提供虛擬讀取指令，其中該擬讀取指令包括目標儲存單元的實體位置；以及根據虛擬讀取佇列，在執行期間內安排對目標儲存單元進行虛擬讀取操作。

另外，處理電路更可根據主機指令發送頻率，在背景操作中對一或多個儲存單元的群組執行虛擬執行操作。

綜上所述，本揭露提出一種儲存裝置操作方法及其應用其的儲存系統，可透過對儲存單元執行虛擬讀取操作，使相關字元線的負載效應(如字元線的離散電容)回復至穩定狀態。透過此方式，列解碼器隨後在回應主機的讀取指令對相關字元線作驅動時，將不會因字元線負載效應的不穩定而導致讀取失敗。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

102、500‧‧‧儲存系統

104、502‧‧‧主機

106‧‧‧控制器

108、504‧‧‧儲存裝置

110‧‧‧處理單元

112‧‧‧主機介面

114‧‧‧記憶體

116‧‧‧儲存裝置介面

118‧‧‧轉換單元

120‧‧‧虛擬讀取佇列

CMD_nr‧‧‧非讀取指令

202‧‧‧非讀取指令佇列

CMD_r‧‧‧讀取指令

204‧‧‧讀取指令佇列

CMD_dr‧‧‧虛擬讀取操作指令

120‧‧‧虛擬讀取佇列

208‧‧‧執行佇列

210‧‧‧映射表

SI₁~SI_M‧‧‧子期間

DI₁、DI₂‧‧‧間隔期間

T1、T2‧‧‧時間

Δst、Δth‧‧‧期間

506‧‧‧驅動模組

508‧‧‧讀取指令佇列

510‧‧‧非讀取指令佇列

S602、S604、S606‧‧‧步驟

第1圖繪示依據本揭露一實施例的儲存系統的方塊圖。 第2圖繪示在非讀取指令的執行期間對儲存裝置穿插虛擬讀取操作的示意圖。 第3圖繪示針對儲存裝置的一例操作序列圖。 第4圖繪示儲存裝置中字元線的離散電容的電位隨時間變化的示意圖。 第5圖繪示依據本揭露一實施例的儲存系統的方塊圖。 第6圖繪示根據本揭露一實施例的儲存裝置操作方法的流程圖。

Claims (10)

1. 一種儲存裝置操作方法，由一處理電路執行，該儲存裝置操作方法包括： 執行一非讀取指令；以及 在執行該非讀取指令的一執行期間內，自一儲存裝置的複數個儲存單元中挑選一目標儲存單元，並對該目標儲存單元執行一特定程序，該特定程序包括： 對一虛擬讀取佇列提供一虛擬讀取指令，其中該虛擬讀取指令包括該目標儲存單元的實體位置；以及 根據該虛擬讀取佇列，在該執行期間內安排對該目標儲存單元進行一虛擬讀取操作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之儲存裝置操作方法，更包括： 在該執行期間內，對一讀取指令佇列中的一讀取指令執行一檢查程序，該檢查程序包括： 取得該些儲存單元中對應該讀取指令的一欲讀取儲存單元的一最後存取時間； 取得執行該檢查程序的一當前時間； 計算該最後存取時間與該當前時間之間的一差值；以及 回應於判斷出該差值超過一容忍值，將該欲讀取儲存單元選作該目標儲存單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之儲存裝置操作方法，更包括： 紀錄該些儲存單元的存取次數； 根據該些儲存單元的存取次數，將該些儲存單元分類成對應不同存取次數區間的複數個群組； 紀錄一主機指令發送頻率； 依據該主機指令發送頻率，對該些群組中的一或多個群組執行該虛擬讀取操作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之儲存裝置操作方法，其中該執行期間包括複數個子期間，該儲存裝置操作方法更包括： 回應該非讀取指令，對該儲存裝置執行複數個非讀取操作，其中該些非讀取操作係在該些子期間內執行：以及 在該些子期間中相鄰兩者之間的一間隔期間內，對該目標儲存單元執行該虛擬讀取操作。
5. 一種儲存系統，包括： 一儲存裝置，包括複數個儲存單元；以及 一處理電路，耦接該儲存裝置，並經配置而用以： 執行一非讀取指令；以及 在執行該非讀取指令的一執行期間內，自該些儲存單元中挑選一目標儲存單元，並對該目標儲存單元執行一特定程序，該特定程序包括： 對一虛擬讀取佇列提供一虛擬讀取指令，其中該虛擬讀取指令包括該目標儲存單元的實體位置；以及 根據該虛擬讀取佇列，在該執行期間內安排對該目標儲存單元進行一虛擬讀取操作。
6. 如申請專利範圍第5項所述之儲存系統，其中該處理電路更用以： 在該執行期間內，對一讀取指令佇列中的一讀取指令執行一檢查程序，該檢查程序包括： 取得該些儲存單元中對應該讀取指令的一欲讀取儲存單元的一最後存取時間； 取得執行該檢查程序的一當前時間； 計算該最後存取時間與該當前時間之間的一差值；以及 回應於判斷出該差值超過一容忍值，將該欲讀取儲存單元選作該目標儲存單元。
7. 如申請專利範圍第5項所述之儲存系統，其中該處理電路更用以： 紀錄該些儲存單元的存取次數； 根據該些儲存單元的存取次數，將該些儲存單元分類成對應不同存取次數區間的複數個群組； 紀錄一主機指令發送頻率； 依據該主機指令發送頻率，對該些群組中的一或多個群組執行該虛擬讀取操作。
8. 如申請專利範圍第5項所述之儲存系統，其中該執行期間包括複數個子期間，該處理電路更用以： 回應該非讀取指令，對該儲存裝置執行複數個非讀取操作，其中該些非讀取操作係在該些子期間內執行：以及 在該些子期間中相鄰兩者之間的一間隔期間內，對該目標儲存單元執行該虛擬讀取操作。
9. 如申請專利範圍第5項所述之儲存系統，其中該非讀取指令儲存於一非讀取指令佇列，且該非讀取指令佇列包含於一主機。
10. 如申請專利範圍第5項所述之儲存系統，其中該虛擬讀取佇列包含於該儲存裝置。