TW202013191A

TW202013191A - 資料儲存裝置以及非揮發式記憶體控制方法

Info

Publication number: TW202013191A
Application number: TW108112760A
Authority: TW
Inventors: 黃千庭; 陳良政
Original assignee: 慧榮科技股份有限公司
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-04-01
Also published as: TWI705328B; TW202013187A; TWI710893B

Abstract

非揮發式記憶體之高效控制技術。非揮發式記憶體包括單階儲存單元以及多階儲存單元且配有一控制器。該控制器令一主機在該主機的一系統記憶體上規劃一主機端暫存空間。該控制器令該主機要求的寫入資料暫存至該主機端暫存空間。該控制器不使用上述單階儲存單元，即把暫存於該主機端暫存空間的該寫入資料匯至上述多階儲存單元。

Description

資料儲存裝置以及非揮發式記憶體控制方法

本發明係有關於非揮發式記憶體之控制。

非揮發式記憶體有多種形式─例如，快閃記憶體（flash memory）、磁阻式隨機存取記憶體（Magnetoresistive RAM）、鐵電隨機存取記憶體（Ferroelectric RAM）、電阻式隨機存取記憶體（Resistive RAM）、自旋轉移力矩隨機存取記憶體（Spin Transfer Torque-RAM， STT-RAM）…等，用於長時間資料保存，可做為儲存媒體實現一資料儲存裝置。

非揮發式記憶體通常有其特殊的儲存特性。本技術領域需要相應非揮發式記憶體的儲存特性發展相應的控制技術。

根據本發明一種實施方式所實現的一資料儲存裝置包括一非揮發式記憶體以及一控制器。該非揮發式記憶體包括單階儲存單元以及多階儲存單元且。該控制器令一主機在該主機的一系統記憶體上規劃一主機端暫存空間。該控制器令該主機要求的寫入資料暫存至該主機端暫存空間。該控制器不使用上述單階儲存單元，即把暫存於該主機端暫存空間的該寫入資料匯至上述多階儲存單元。

一種實施方式中，該控制器管理一映射表，條列該主機端暫存空間各儲存單元所儲存內容的邏輯位址。根據該寫入資料的邏輯位址，該控制器查詢該映射表。該映射表載有該邏輯位址時，該控制器將該寫入資料覆寫至該主機端暫存空間儲存舊版本內容的位置。該映射表未載有該邏輯位址時，該控制器以該主機端暫存空間的閒置空間暫存該寫入資料，並據以更新該映射表。

一種實施方式中，該主機端暫存空間上湊齊一定資料量的資料時，該控制器將該定資料量的資料自該主機端暫存空間匯至上述多階儲存單元，其間不使用上述單階儲存單元。該定資料量可為上述多階儲存單元中由同一字線所控制的資料量。

一種實施方式中，該控制器具有一讀/寫資料暫存器。該控制器自該主機端暫存空間取得該寫入資料後，將該寫入資料暫存於該讀/寫資料暫存器，再自該讀/寫資料暫存器匯入上述多階儲存單元。

接收到該主機指示該寫入資料的一寫入指令時，該控制器可將該寫入資料暫存至該讀/寫資料暫存器，再自該讀/寫資料暫存器匯至該主機端暫存器。

一種實施方式中，根據該主機要求的一讀取指令所指示的邏輯位址，該控制器查詢該主機端暫存空間的映射表。該映射表載有該邏輯位址時，該控制器自該主機端暫存空間取得讀取資料，回應該主機。

一種實施方式中，該控制器將取自該主機端暫存空間的該讀取資料暫存至該控制器的讀/寫資料暫存器，以回應該主機。

本發明更提出非揮發式記憶體控制方法，包括以下步驟：根據一主機之要求操作一非揮發式記憶體，其中，該非揮發式記憶體包括單階儲存單元以及多階儲存單元；令該主機在該主機的一系統記憶體上規劃一主機端暫存空間；令該主機要求的寫入資料暫存至該主機端暫存空間；且不使用上述單階儲存單元，即把暫存於該主機端暫存空間的該寫入資料匯至上述多階儲存單元。

下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明內容。

以下敘述列舉本發明的多種實施例。以下敘述介紹本發明的基本概念，且並非意圖限制本發明內容。實際發明範圍應依照申請專利範圍界定之。

非揮發式記憶體可以是快閃記憶體（Flash Memory）、磁阻式隨機存取記憶體（Magnetoresistive RAM）、鐵電隨機存取記憶體（Ferroelectric RAM）、電阻式記憶體（Resistive RAM，RRAM）、自旋轉移力矩隨機存取記憶體（Spin Transfer Torque-RAM， STT-RAM）…等，提供長時間資料保存之儲存媒體。以下特別以快閃記憶體為例進行討論。

現今資料儲存裝置常以快閃記憶體為儲存媒體，實現記憶卡（Memory Card）、通用序列匯流排閃存裝置（USB Flash Device）、固態硬碟（SSD）…等產品。有一種應用是採多晶片封裝、將快閃記憶體與其控制器包裝在一起─稱為嵌入式快閃記憶體模組（如eMMC）。

以快閃記憶體為儲存媒體的資料儲存裝置可應用於多種電子裝置中。所述電子裝置包括智慧型手機、穿戴裝置、平板電腦、虛擬實境設備…等。電子裝置的運算模塊可視為一主機（Host），操作所使用的資料儲存裝置，以存取其中快閃記憶體。

以快閃記憶體為儲存媒體的資料儲存裝置也可用於建構資料中心。例如，伺服器可操作固態硬碟（SSD）陣列形成資料中心。伺服器即可視為一主機，操作所連結之固態硬碟，以存取其中快閃記憶體。

快閃記憶體有其特殊的儲存特性，以下敘述之。

主機（Host）端是以邏輯位址（例如，邏輯區塊位址LBA或全域主機頁編號GHP…等）來區別資料（使用者資料）。快閃記憶體之物理空間則是劃分為複數個區塊（Blocks）配置使用。各區塊（Block）包括複數頁（Pages）。各頁包括N個區段（Sectors），N為大於一的整數，如：4。容量16KB的頁可分為四個區段，各區段為4KB，可容儲存一個LBA或GHP的資料。一種實施方式中，一區塊（block）係根據頁編號配置各頁儲存資料，如，由低編號至高編號循序使用該區塊的各頁。

特別是，快閃記憶體的儲存空間需抹除後方能再次使用。一種實施例中，資料抹除（Erase）的最小單位為區塊。使用過的區塊須抹除後方能再次使用。同樣邏輯位址的資料更新並非覆寫至舊資料的儲存空間，新版本的資料須寫入閒置空間（空白的區段）。舊空間的內容則標示為無效。一區塊可能僅零星留存有效資料。閒置區塊數量不足時，垃圾回收（Garbage Collection）需求產生。一區塊留存的零星有效資料經垃圾回收集中到其他空間。徒留無效資料的區塊因而得以被抹除再利用，拉升閒置區塊數量。

除了因應閒置區塊數過低而引發的垃圾回收，尚有其他多種操作涉及有效資料搬移。

快閃記憶體的儲存單元不限定為單階儲存單元（Single-Level Cells，SLCs），更有部分空間是提供多階儲存單元（multiple level cells），包括三階儲存單元（Triple-Level Cells，TLCs）、或四階儲存單元（Quad-level cells，QLCs）。一個單階儲存單元SLC儲存一個位元的資料，一個三階儲存單元TLC儲存三個位元的資料，以此類推。為了簡化說明，下述中將以三階儲存單元TLC為例，但是不以此為限。

第1A圖與第1B圖分別對應單階儲存單元SLC與三階儲存單元TLC，其中以閘極浮動電子進行劃分，圖解不同邏輯意義下，存儲單元分布概率。如圖所示，一存儲單元的邏輯定義與其閘極浮動電子量相關。單階儲存單元SLC的邏輯分界較三階儲存單元TLC明確；不僅可靠度較高、寫入速度也較快。三階儲存單元TLC則是在儲存容量上有其優勢。若追求準確與速度，單階儲存單元SLC是理想的儲存目標。考量到儲存密度，單階儲存單元SLC收集的內容須伺機搬移到三階儲存單元TLC。單階儲存單元SLC頻繁地被寫入又抹除，相應產生寫入放大問題。SLC區塊的抹除次數會在短時間暴增，快閃記憶體容易損壞。

在考量快閃記憶體生命週期的前提下，如何最佳化使用單階儲存單元SLC與三階儲存單元TLC為以下討論重點。

第2圖為根據本發明一種實施方式實現的一資料儲存系統200，包括一資料儲存裝置202以及一主機204。資料儲存裝置202具有一快閃記憶體206以及一控制器208，資料儲存裝置202不具有動態隨機存取記憶體（DRAM）或是僅具有一小容量DRAM（或稱為Partial DRAM）。為了簡化說明，以下將以不具有DRAM的資料儲存裝置202為例，但是不以此為限。

主機204下達讀、寫要求至控制器208，再由控制器208對快閃記憶體206進行讀、寫的操作。控制器208具有一(讀/寫)資料暫存器210，可為一靜態隨機存取記憶體（SRAM）或其他儲存裝置。快閃記憶體206具有單階儲存單元SLC區塊池212以及三階儲存單元TLC區塊池214，分別提供複數個單階儲存單元SLCs以及多階儲存單元的區塊。另外，單階儲存單元SLC區塊可由三階儲存單元TLC區塊模擬來產生，在此設定下，三階儲存單元TLC區塊以預設模式進行資料編程，單階儲存單元SLC區塊則以SLC模式進行資料編程。另外，單階儲存單元SLC區塊與三階儲存單元TLC亦可分別獨立存在並運作，並依據各自的預設模式進行資料編程。

主機204具有一系統記憶體216，可為一DRAM或其他儲存裝置。於資料儲存系統200開機完成後，資料儲存系統200的控制器208向主機204提出主機端暫存空間（host memory buffer，HMB）的請求，主機204依據請求而在主機204的系統記憶體216中規劃一塊資料暫存空間，如主機端暫存空間（host memory buffer，HMB）218所示。

一般而言，控制器208會將主機204要求寫入的資料先暫存在資料暫存器210，之後，再寫入至單階儲存單元SLC區塊，之後，再搬移至三階儲存單元TLC區塊。然而，在本發明中，控制器208會將主機204要求寫入的資料暫存在主機端暫存空間218，之後，再寫入至資料暫存器210，之後，再寫入至三階儲存單元TLC區塊。如上所述，本發明略去使用單階儲存單元SLC區塊，因此，單階儲存單元SLC區塊至三階儲存單元TLC區塊的資料搬移機率因而降低，有效解決寫入放大問題。

利用主機端暫存空間218來暫存資料有諸多優點。快閃記憶體206不可將資料覆寫在相同物理位址，本發明可在主機端暫存空間218進行資料的覆寫。資料暫存在主機端暫存空間218而非單階儲存單元SLC區塊或三階儲存單元TLC區塊，因此，也可降低單階儲存單元SLC區塊或三階儲存單元TLC區塊的抹寫次數，增加單階儲存單元SLC區塊或三階儲存單元TLC區塊的使用壽命。主機端暫存空間218亦可提供快取（cache）功能。主機204下達讀取指令以讀取資料時，如果目標資料暫存在主機端暫存空間218，則控制器208可以依據主機端暫存空間218的目標資料回應主機204的讀取指令。

如第3圖所示，控制器208較佳建立主機端暫存空間映射表HMB_Tab以記錄主機端暫存空間218所儲存的資料之物理位址（或稱HMB位址）以及邏輯位址(如，邏輯區塊位址LBA)的映射關係，其中，記錄主機端暫存空間218的HMB位址由主機204所指定，控制器208再利用指定的HMB位址來暫存資料，例如，利用指定的HMB位址來暫存48筆區段大小的資料。主機端暫存空間映射表HMB_Tab可建立在主機端暫存空間218上。當有資料暫存或更新時，控制器208自主機端暫存空間218下載主機端暫存空間映射表HMB_Tab的全部或一部份至資料暫存器210，並予以更新，之後，再將更新後的主機端暫存空間映射表HMB_Tab上傳至主機端暫存空間218。另外，主機端暫存空間映射表HMB_Tab可建立在資料暫存器210，當有資料暫存或更新時，控制器208可直接在系統記憶體216上更新主機端暫存空間映射表HMB_Tab的內容。

第4圖為流程圖，根據本發明一種實施方式圖解資料寫入方法的流程，本發明資料寫入方法較佳由資料儲存裝置202的控制器208所執行，可有效地延長資料儲存裝置使用壽命。

步驟S402，控制器208接收來自主機204的寫入指令，其中，寫入指令指示資料以及資料的邏輯位址。

步驟S404，控制器208依據主機端暫存空間映射表HMB_Tab而判斷資料是否已暫存在主機端暫存空間218，如果是，則執行步驟S412，如果否，則執行步驟S406。控制器208依據資料的邏輯位址來查詢主機端暫存空間映射表HMB_Tab，若資料的邏輯位址尚未載於主機端暫存空間映射表HMB_Tab，這表示資料並未暫存在主機端暫存空間218，接著，應該將資料暫存至主機端暫存空間218；如果已載於主機端暫存空間映射表HMB_Tab，這表示資料已暫存在主機端暫存空間218，可直接以此資料（新資料）更新之前的資料（舊資料）。

步驟S406，控制器208將資料暫存至主機端暫存空間218並更新主機端暫存空間映射表HMB_Tab，例如，將LBA#1046的資料寫入主機端暫存空間218的物理位址0x4002E000，並將LBA#1046記錄（更新）至主機端暫存空間映射表HMB_Tab。

步驟S408，控制器208判斷主機端暫存空間218的資料量是否滿足匯出（flush）條件，其中，匯出（flush）條件較佳為區段或頁面的正整數倍，例如，48筆區段或12個頁面。一種實施方式係以同一字線的儲存單元為管理單位。若未滿足匯出（flush）條件，則控制器208可結束程序，將資料暫存在主機端暫存空間218。

匯出（flush）條件滿足時，流程進入步驟S410。控制器208將主機端暫存空間218暫存的資料編程至三階儲存單元（TLC）區塊(可經該(讀/寫)資料暫存器210)，其中，控制器208以預設模式將主機端暫存空間218暫存的資料編程至三階儲存單元（TLC）區塊，而不是以SLC模式將主機端暫存空間218暫存的資料編程至單階儲存單元（SLC）區塊，如此一來，可減少（避免）單階儲存單元SLC之使用。另外，控制器208可將主機端暫存空間218暫存的全部資料編程至三階儲存單元（TLC）區塊，或者，僅編程預設數量的資料至三階儲存單元（TLC）區塊，例如，僅編程48筆區段中的16筆區段的資料至三階儲存單元（TLC）區塊。一種實施方式係以同一字線的儲存單元為管理單位。另外，此三階儲存單元（TLC）區塊又稱為主動區塊。

另外，當主機端暫存空間218暫存的資料編程至三階儲存單元（TLC）區塊之後，控制器208立即或之後再更新邏輯-物理位址映射表（Logical-Physical Mapping Table，L2P Table），其中，L2P映射表記錄資料儲存裝置中的資料的邏輯位址與物理位址的對應關係。

倘若步驟S404在主機端暫存空間映射表HMB_Tab查詢到主機204指示的寫入邏輯位址，流程進行步驟S412。控制器208依據主機端暫存空間映射表HMB_Tab而將入資料覆寫至主機端暫存空間218。資料記錄在主機端暫存空間映射表HMB_Tab表示資料乃暫存在主機端暫存空間218，因此，控制器208查詢主機端暫存空間映射表HMB_Tab可以得知（舊）資料暫存在主機端暫存空間218的位址，例如，邏輯位址LBA#1001所對應的主機端暫存空間218的物理位址0x40001000，因此，控制器208可將（新）資料寫入（覆寫）此物理位址，完成資料的更新。由於是進行同物理位址的覆寫，控制器208無須調整主機端暫存空間映射表HMB_Tab的內容並結束程序。

第5圖為流程圖，根據本發明一種實施方式圖解資料讀取方法的流程，本發明資料讀取方法較佳由資料儲存裝置的控制器所執行，可有效地延長資料儲存裝置使用壽命。

步驟S502，控制器208接收來自主機204的讀取指令，其中，讀取指令包含欲讀取資料的邏輯位址。

步驟S504，控制器208判斷邏輯位址是否記錄在主機端暫存空間映射表HMB_Tab中，如果否則進行步驟S506，如果是則進行步驟S510。

步驟S506，控制器208依據邏輯位址以及L2P映射表以取得快閃記憶體206的一個物理位址。

步驟S508，控制器208讀取快閃記憶體206的物理位址以取得欲讀取資料，並回傳欲讀取資料至主機204。控制器208讀取快閃記憶體206的物理位址以取得欲讀取資料，並先將欲讀取資料儲存至資料暫存器210，再將欲讀取資料從資料暫存器210上傳至主機204。

倘若步驟S504在主機端暫存空間映射表HMB_Tab查詢到主機204指示讀取的邏輯位址，流程進行步驟S510，控制器208依據邏輯位址以及主機端暫存空間映射表HMB_Tab以取得主機端暫存空間218的一個物理位址。

步驟S512，控制器208讀取主機端暫存空間218的物理位址以取得欲讀取資料，並回傳欲讀取資料至主機204。控制器208讀取主機端暫存空間218的物理位址以取得欲讀取資料，並先將欲讀取資料儲存至資料暫存器210，再將欲讀取資料從資料暫存器210上傳至主機204。

以上應用主機端暫存空間218以替代部份快閃記憶體206的操作，或是應用主機端暫存空間218來匯整主機204發出的寫入資料，再將資料編程至三階儲存單元TLCs區塊等，都屬於本發明欲保護範圍。本發明更可以前述概念實現非揮發式記憶體的控制方法。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200:資料儲存系統；202:資料儲存裝置；204:主機；206:快閃記憶體；208:控制器；210:(讀/寫)資料暫存器；212:單階儲存單元區塊池；214:三階儲存單元區塊池；216:系統記憶體；218:主機端暫存空間；HMB_Tab:主機端暫存空間映射表；S402…S412、S502…S512:步驟。

第1A圖與第1B圖分別對應單階儲存單元SLC與三階儲存單元TLC，其中以閘極浮動電子進行劃分，圖解不同邏輯意義下，存儲單元分布概率；第2圖為根據本發明一種實施方式實現的一資料儲存系統200，包括一資料儲存裝置202以及一主機204；第3圖圖解一主機端暫存空間映射表HMB_Tab，條列主機端暫存空間218的各儲存單元所儲存的資料之邏輯位址；第4圖為流程圖，根據本發明一種實施方式圖解資料寫入方法的流程；且第5圖為流程圖，根據本發明一種實施方式圖解資料讀取法的流程。

200:資料儲存系統

202:資料儲存裝置

204:主機

206:快閃記憶體

208:控制器

210:資料暫存器

212:單階儲存單元區塊池

214:三階儲存單元區塊池

216:系統記憶體

218:主機端暫存空間

Claims

一種資料儲存裝置，包括：一非揮發式記憶體，包括單階儲存單元以及多階儲存單元；以及一控制器，根據一主機之要求操作該非揮發式記憶體，其中：該控制器令該主機在該主機的一系統記憶體上規劃一主機端暫存空間；該控制器令該主機要求的寫入資料暫存至該主機端暫存空間；且該控制器不使用上述單階儲存單元，即把暫存於該主機端暫存空間的該寫入資料匯至上述多階儲存單元。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該控制器管理一映射表，條列該主機端暫存空間各儲存單元所儲存內容的邏輯位址；根據該寫入資料的邏輯位址，該控制器查詢該映射表；且該映射表載有該邏輯位址時，該控制器將該寫入資料覆寫至該主機端暫存空間儲存舊版本內容的位置。
如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中：該映射表未載有該邏輯位址時，該控制器以該主機端暫存空間的閒置空間暫存該寫入資料，並據以更新該映射表。
如申請專利範圍第3項所述之資料儲存裝置，其中：該主機端暫存空間上湊齊一定資料量的資料時，該控制器將該定資料量的資料自該主機端暫存空間匯至上述多階儲存單元，其間不使用上述單階儲存單元。
如申請專利範圍第4項所述之資料儲存裝置，其中：該定資料量即上述多階儲存單元中由同一字線所控制的資料量。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該控制器具有一讀/寫資料暫存器；且該控制器自該主機端暫存空間取得該寫入資料後，將該寫入資料暫存於該讀/寫資料暫存器，再自該讀/寫資料暫存器匯入上述多階儲存單元。
如申請專利範圍第6項所述之資料儲存裝置，其中：接收到該主機指示該寫入資料的一寫入指令時，該控制器是將該寫入資料暫存至該讀/寫資料暫存器，再自該讀/寫資料暫存器匯至該主機端暫存器。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該控制器管理一映射表，條列該主機端暫存空間各儲存單元所儲存內容的邏輯位址；根據該主機要求的一讀取指令所指示的邏輯位址，該控制器查詢該映射表；且該映射表載有該邏輯位址時，該控制器自該主機端暫存空間取得讀取資料，回應該主機。
如申請專利範圍第8項所述之資料儲存裝置，其中：該控制器具有一讀/寫資料暫存器；且該控制器將取自該主機端暫存空間的該讀取資料暫存至該讀/寫資料暫存器，以回應該主機。
一種非揮發式記憶體控制方法，包括：根據一主機之要求操作一非揮發式記憶體，其中，該非揮發式記憶體包括單階儲存單元以及多階儲存單元；令該主機在該主機的一系統記憶體上規劃一主機端暫存空間；令該主機要求的寫入資料暫存至該主機端暫存空間；且不使用上述單階儲存單元，即把暫存於該主機端暫存空間的該寫入資料匯至上述多階儲存單元。
如申請專利範圍第10項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：管理一映射表，條列該主機端暫存空間各儲存單元所儲存內容的邏輯位址；根據該寫入資料的邏輯位址，查詢該映射表；且該映射表載有該邏輯位址時，將該寫入資料覆寫至該主機端暫存空間儲存舊版本內容的位置。
如申請專利範圍第11項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：該映射表未載有該邏輯位址時，以該主機端暫存空間的閒置空間暫存該寫入資料，並據以更新該映射表。
如申請專利範圍第12項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：該主機端暫存空間上湊齊一定資料量的資料時，將該定資料量的資料自該主機端暫存空間匯至上述多階儲存單元，其間不使用上述單階儲存單元。
如申請專利範圍第13項所述之非揮發式記憶體控制方法，其中：該定資料量即上述多階儲存單元中由同一字線所控制的資料量。
如申請專利範圍第10項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：於裝置端提供一讀/寫資料暫存器；且自該主機端暫存空間取得該寫入資料後，將該寫入資料暫存於該讀/寫資料暫存器，再自該讀/寫資料暫存器匯入上述多階儲存單元。
如申請專利範圍第15項所述之非揮發式記憶體控制方法，其中：根據該主機指示該寫入資料的一寫入指令，該寫入資料先暫存至該讀/寫資料暫存器，再自該讀/寫資料暫存器匯至該主機端暫存器。
如申請專利範圍第10項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：管理一映射表，條列該主機端暫存空間各儲存單元所儲存內容的邏輯位址；根據該主機要求的一讀取指令所指示的邏輯位址，查詢該映射表；且該映射表載有該邏輯位址時，自該主機端暫存空間取得讀取資料，回應該主機。
如申請專利範圍第17項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：於裝置端提供一讀/寫資料暫存器；且將取自該主機端暫存空間的該讀取資料暫存至該讀/寫資料暫存器，以回應該主機。