TWI606451B - 非揮發性記憶裝置及其控制方法 - Google Patents

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Description

非揮發性記憶裝置及其控制方法
本發明係有關於一種非揮發性記憶裝置，特別是有關於一種對部分已寫滿的區塊(closed block)進行循讀操作(patrol read)的非揮發性記憶裝置。
記憶體主要分為兩大類，一是揮發性記憶體(Volatile memory)，另一是非揮發性記憶體(Non-Volatile memory)。揮發性記憶體的存取速度快，但在關機後，揮發性記憶體所儲存的資料將會全部遺失。相反地，即使關機，非揮發性記憶體仍可維持資料。然而，非揮發性記憶體裡的資料可能會因放置的時間太久而發生電荷流失(charge loss)，因而無法從非揮發性記憶體中讀出正確的資料。
本發明提供一種非揮發性記憶裝置，包括一非揮發性記憶體以及一控制器。非揮發性記憶體具有複數已寫滿區塊以及複數未寫滿區塊。控制器根據非揮發性記憶體在一第一時間點與一第二時間點之間的一寫入工作量(write workload)，計算出一比例值，再根據該比例值對已寫滿區塊中之一部分區塊進行一循讀操作(patrol read)。
本發明另提供一種控制方法，適用於一非揮發性記憶體。非揮發性記憶體具有複數已寫滿區塊以及複數未寫滿區塊。本發明之控制方法包括，根據該非揮發性記憶體在一第一時間點以及一第二時間點之間的一寫入工作量，計算一比例值；以及根據該比例值對該等已寫滿區塊之一部分區塊進行一循讀操作。
為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧控制系統
110‧‧‧主機裝置
120‧‧‧非揮發性記憶裝置
121‧‧‧控制器
122‧‧‧非揮發性記憶體
BK0~BL100‧‧‧區塊
S311~S312、S411~S414‧‧‧步驟
第1圖為本發明之控制系統的示意圖。
第2A及2B圖為本發明之已寫滿區塊的示意圖。
第3及4圖為本發明之控制方法的流程示意圖。
第1圖為本發明之控制系統的示意圖。如圖所示，控制系統100包括一主機裝置(host)110以及一非揮發性記憶裝置120。主機裝置110寫入資料至非揮發性記憶裝置120中或是讀取非揮發性記憶裝置120所儲存的資料。本發明並不限定非揮發性記憶裝置120的種類。在一可能實施例中，非揮發性記憶裝置120為一嵌入式多媒體卡(Embedded MultiMediaCard；eMMC)，然不限於此。
非揮發性記憶裝置120包括一控制器121以及一非揮發性記憶體122。控制器121用以寫入資料至非揮發性記憶體122或是讀取非揮發性記憶體122所儲存的資料。控制器121可 能根據主機裝置110所發出的寫入指令，寫入資料至非揮發性記憶體122。在另一可能實施例中，控制器121係根據本身所儲存的一程式碼，存取非揮發性記憶體122所儲存的資料。舉例而言，控制器121可能根據該程式碼執行一垃圾回收操作(garbage collection)，用以丟棄非揮發性記憶體122裡的無效資料，並搬移非揮發性記憶體122裡的有效資料。
在一可能實施例中，非揮發性記憶體122係為一反及閘快閃記憶體(NAND flash)，但並非用以限制本發明。在其它實施例中，非揮發性記憶體122可能是其它種類的記憶體。一般而言，非揮發性記憶體122具有複數區塊。該等區塊又分為複數已寫滿區塊(closed blocks)以及複數未寫滿區塊(open blocks)。對於已寫滿區塊而言，控制器121無法再寫入資料至已寫滿區塊中。然而，控制器121可再繼續寫入資料至一未寫滿區塊，直到該未寫滿區塊被寫滿。
由於非揮發性記憶體122所儲存的資料可能會因放置的時間太久而發生電荷流失(charge loss)，因而發生資料保存問題(data retention problem)。由於控制器121可能無法從非揮發性記憶體122中讀出正確的資料，因此，在非揮發性記憶體裝置120一上電後，控制器121會先對所有已寫滿區塊執行一循讀操作(patrol read)，用以檢查所有已寫滿區塊的資料錯誤率。
當一已寫滿區塊中的資料錯誤率高過一容忍值時，控制器121對該已寫滿區塊執行一垃圾回收操作。在垃圾回收操作下，控制器121將該已寫滿區塊的有效資料搬移到至少一 未寫滿區塊中，並丟棄該已寫滿區塊的無效資料，再抹除該已寫滿區塊的資料。在另一可能實施例中，當一已寫滿區塊中的資料錯誤率高過一容忍值時，控制器121對該已寫滿區塊進行一資料搬移操作。在資料搬移操作下，控制器121搬移該已寫滿區塊的所有資料(包含有效資料及無效資料)到至少一未寫滿區塊中，再抹除該已寫滿區塊所儲存的所有資料。
在控制器121對所有已寫滿區塊進行完循讀操作後，控制器121可能每隔一段固定時間(如4小時)或是在一待機模式(idle mode)下，將再次進行循讀操作，以維持已寫滿區塊的資料的正確性。在本實施例中，當控制器121準備再次進行循讀操作前，控制器121根據非揮發性記憶體122在一第一時間點以及一第二時間點之間的一寫入工作量(write workload)，計算出一比例值，再根據該比例值對部分已寫滿區塊進行循讀操作。
上述第一時間點係指進行完上一次循讀操作後的一時間點。上述第二時間點係指準備進行下一次循讀操作前的一時間點。在一可能實施例中，控制器121找出在第一時間點後，最早被寫滿的一起始區塊，以及在第二時間點前，最後被寫滿的一最終區塊。控制器121再根據該起始區塊及最終區塊的特性參數，判斷非揮發性記憶體122的寫入工作量。控制器121根據非揮發性記憶體122的寫入工作量，計算一比例值。控制器121根據該比例值對部分已寫滿區塊進行循讀操作。在一實施例中，控制器121根據該比例值從目前最舊的已寫滿區塊來進行部分已寫滿區塊之循讀操作。在其它實施例中，控制器 121將該比例值乘上非揮發性記憶體122中已寫滿區塊的總數而得到一比例區塊數量。在本實施例中，比例區塊數量表示控制器121需對多少個已寫滿區塊進行循讀操作。在一可能實施例中，控制器121由目前最舊的已寫滿區塊起算上述比例區塊數量來進行部分已寫滿區塊之循讀操作。
相較於習知技術，習知的非揮發性記憶裝置在每次進行循讀操作時，都會判斷所有已寫滿區塊之資料錯誤率。因此，習知的非揮發性記憶體裝置的處理時間過長，且也會占用到主機裝置與非揮發性記憶裝置之間資料讀取的頻寬(read bandwidth)，並增加功率損耗。然而，在本實施例中，控制器121只有在第一次的循讀操作下，才會對所有已寫滿區塊進行循讀操作，而在接下來的循讀操作中，控制器121只會針對部分已寫滿區塊進行循讀操作。因此，本發明的非揮發性記憶體裝置的處理時間較短。
在一可能實施例中，控制器121係讀取該起始區塊及該最終區塊的索引值(index)或是時間標籤(time stamp)，用以判斷非揮發性記憶體122的寫入工作量。舉例而言，愈早被寫滿的區塊的索引值可能愈小，或是愈早被寫滿的區塊的時間標籤愈小，但此揭露並非用以限制本發明。在其它實施例中，愈早被寫滿的區塊的索引值可能愈大，或是愈早被寫滿的區塊的時間標籤愈大。
本發明並不限定控制器121如何根據非揮發性記憶體122的寫入工作量計算出一比例值p。在一可能實施例中，比例值p的計算如下式所示： p=f(x,y)；其中x代表前次進行循讀操作後，最早被寫滿的起始區塊的特性參數，y代表前次進行循讀操作後，最後被寫滿的最終區塊的特性參數。
控制器121根據起始區塊及最終區塊的特性參數(如索引值或時間標籤)，並利用任何計算公式，計算一比例值p。以下將透過第2A及2B圖說明控制器121可能使用的計算公式。
第2A圖為本發明之已寫滿區塊的一可能示意圖。假設，在非揮發性記憶體122為一關機狀態時，區塊BK0~BK49已被寫滿。在此例中，當非揮發性記憶體122由該關機狀態切換至一開機狀態時，控制器121對區塊BK0~BK49進行循讀操作，並設定區塊BK0~BK49的索引值為ID0~ID49。
接著，控制器121存取非揮發性記憶體122。當控制器121寫滿一區塊時，控制器121設定該區塊的索引值。假設，當控制器121準備再次進行循讀操作前，區塊BK0~BK100已被寫滿，並分別具有索引值ID0~ID100。控制器121先根據前次進行循讀操作後，第一個被寫滿的區塊(如BK50)的索引值(如ID50)以及最後一個被寫滿的區塊(如BK100)的索引值(如ID100)，計算得知一比例值p。在本實施例中，比例值p如下式：
其中p為比例值，x為上一次進行循讀操作後，第一個已寫滿區塊的索引值(如ID50)，y為上一次進行循讀操作後，最後一個已寫滿區塊的索引值(如ID100)。
如果將x=50，y=100代入式(1)後，可計算出比例值p為1/2，因此，控制器121根據比例值(1/2)對一半的已寫滿區塊進行循讀操作。在一可能實施例中，控制器121不會對上一次進行循讀操作後被寫滿的區塊(如BK50~BK100)進行循讀操作。在另一可能實施例中，控制器121根據比例值(1/2)從目前最舊的已寫滿區塊(如BK0)開始進行部分已寫滿區塊之循讀操作。在其它實施例中，計算出比例值p後，控制器121可將比例值(如1/2)再乘上已寫滿區塊的總數(101)，得知需進行循讀操作的一比例區塊數量約50。因此，控制器121從目前最舊的已寫滿區塊(如BK0)開始，對後續49個已寫滿區塊(如BK0~BK49)進行循讀操作。
由於控制器121並非對所有已寫滿區塊執行循讀操作，因此，有效減短非揮發性記憶裝置120的處理時間，且減低占用到主機裝置110與控制器121之間資料讀取的頻寬(read bandwidth)，也能降低非揮發性記憶裝置120的功率損耗。
在另一可能實施例中，控制器121係根據以下公式決定對多少區塊進行循讀操作。
其中p為比例值，x為上一次進行循讀操作後，第一個已寫滿區塊的索引值(如ID50)，y為上一次進行循讀操作後，最後一個已寫滿區塊的索引值(如ID100)，K為一固定參數，係由設計者所決定。在一可能實施例中，0<K<1。
假設，K為0.5。如果將x=50，y=100代入式(2)，則 可計算出比例值p=3/4。在一可能實施例中，控制器121將比例值(3/4)再乘上已寫滿區塊的總數(101)，得知需進行循讀操作的比例區塊數量約為75。在一可能實施例中，控制器121從目前最舊的已寫滿區塊(如BK0)開始，對接下來74個已寫滿區塊進行循讀操作。
在其它可能實施例中，控制器121係根據以下公式對部分區塊進行循讀操作。
其中p為比例值，x為上一次進行循讀操作後，第一個已寫滿區塊的索引值(如ID50)，y為上一次進行循讀操作後，最後一個已寫滿區塊的索引值(如ID100)，M為一固定參數，由IC設計者所預設。在一可能實施例中，M為整數，如1、2、3、…。
假設，M=2，若將x=50、y=100代入式(3)後，控制器121可計算比例值p=3/4。在一可能實施例中，控制器121可將比例值p(如3/4)再乘上已寫滿區塊的總數(101)，得知需進行循讀操作的比例區塊數量約為75。在一可能實施例中，控制器121從目前最舊的已寫滿區塊(如BK0)開始，對74個已寫滿區塊進行循讀操作。
第2B圖為本發明之已寫滿區塊的另一可能示意圖。在本實施例中，每一已寫滿的區塊BK0~BK100各自具有一時間標籤T0~T100。時間標籤表示區塊被寫滿的時間點。舉例而言，區塊BK0是在時間點T0時被寫滿，區塊BK100是在時間點T100被寫滿。在一可能實施例中，控制器121根據下式計算一比例區塊數量p’：
其中p’表示需進行循讀操作的已寫滿區塊的數量，tx為上一次進行循讀操作後，第一個被寫滿區塊的時間標籤(T50)，△t為上一次進行循讀操作後，最後一個被寫滿區塊的時間標籤(T100)與第一個被寫滿區塊的時間標籤(T50)之間的時間差(即T100-T50)，例如為1秒，N為控制器121在時間點T50~T100之間所寫滿的區塊的數量(如50)。
得到比例區塊數量p’後，控制器121從目前最舊的已寫滿區塊開始，對部分的區塊進行循讀操作，其中進行循讀操作的已寫滿區塊的數量為比例區塊數量p’。由於不需每次對所有的已寫滿區塊進行循讀操作，故可大幅減少處理時間。
在上述實施例中，控制器121係從目前最舊的已寫滿區塊開始進行循讀操作，但並非用以限制本發明。在一可能實施例中，控制器121係根據區塊BK0~BK100的位元錯誤率(bit error rate；BER)、編程/抹除次數(program/erase cycle count)、錯誤位元數量(fail bit count；FBC)以及資料保持時間(retention time)之至少一者，找出最舊的已寫滿區塊。再從此最舊的已寫滿區塊開始，進行部分已寫滿區塊之循讀操作。
舉例而言，當已寫滿區塊BK0~BK100之一特定區塊(例如區塊BK30)之位元錯誤率最高，表示該特定區塊可能發生電荷流失，則表示該區塊最舊。因此，控制器121從區塊BK30開始，對後面的區塊(如BK31~BK79)進行循讀操作。當已寫滿區塊BK0~BK100之一特定區塊(例如區塊BK0)之編程/抹除次數最多，則表示該區塊最舊。因此，控制器121從區塊BK0開始， 對部分已寫滿區塊(如BK1~BK49)進行循讀操作。當已寫滿區塊BK0~BK100之一特定區塊(例如區塊BK0)之錯誤位元數量最多，則表示該區塊最舊。因此，控制器121從區塊BK0開始，對部分已寫滿區塊(如BK1~BK49)進行循讀操作。當已寫滿區塊BK0~BK100之一特定區塊(例如區塊BK0)之資料保持時間最長，表示該特定區塊的資料已放置太久，則表示該區塊最舊。因此，控制器121從區塊BK0開始，對部分已寫滿區塊(如BK1~BK49)進行循讀操作。
第3圖為本發明之控制方法的流程示意圖。本發明的控制方法適用於一非揮發性記憶體。該非揮發性記憶體包括複數已寫滿區塊以及複數未寫滿區塊。首先，根據非揮發性記憶體在一第一時間點以及一第二時間點之間的一寫入工作量，計算一比例值(步驟S311)。在本實施例中，第一時間點係指進行完上一次循讀操作後的一時間點，第二時間點係指準備進行下一次循讀操作前的一時間點。
在一可能實施例中，步驟S311判斷在第一及第二時間點之間，非揮發性記憶體被寫滿的區塊數量，並根據區塊數量計算一比例值。在另一可能實施例中，步驟S311係找出在第一時間點後，最早被寫滿的一起始區塊，並找出在第二時間點前，最晚被寫滿的一最終區塊，再根據起始區塊及最終區塊的特性參數，計算該比例值。特性參數可能係指起始區塊及最終區塊的索引值(如第2A圖所示)或是時間標籤(如第2B圖所示)。在其它實施例中，步驟S311將該比例值乘上非揮發性記憶體被寫滿的區塊的總數，用以決定對多個已寫滿區塊進行循 讀操作。在一些實施例中，步驟S311可利用式(1)~式(4)之一者計算比例值。
接著，根據該比例值對所有已寫滿區塊裡的部分已寫滿區塊進行一循讀操作(步驟S312)。假設，經運算後，比例值p=1/2。在此例中，步驟S312便對已寫滿區塊集合裡的一半區塊進行循讀操作。在本實施例中，循讀操作係檢查區塊的資料錯誤率。若一區塊的資料錯誤率超過一容忍值，則對該區塊進行垃圾回收，也就是搬移該區塊的有效資料至至少一未寫滿區塊，並對該區塊進行抹除操作。在另一可能實施例中，若一區塊的資料錯誤率超過一容忍值，則對該區塊進行資料搬移。在此例中，無論有效或無效資料均搬移，再對該區塊進行抹除操作。
本發明並不限定步驟S312係從哪個區塊開始對部分的區塊進行循讀操作。在一可能實施例中，步驟S312係從目前最舊的已寫滿區塊開始，對部分已寫滿區塊進行循讀操作。以第2A圖為例，假設，區塊BK0是目前最舊的已寫滿區塊。如果計算的比例值為1/4，則步驟S312對區塊BK0~BK24進行循讀操作。在其它實施例中，步驟S312係根據所有已寫滿區塊的位元錯誤率(bit error rate)、編程/抹除次數(program/erase cycle count)、錯誤位元數量(fail bit count)、資料保持時間(retention time)之至少一者，決定目前最舊的已寫滿區塊，並根據該比例值由該最舊的已寫滿區塊開始進行循讀操作。
在其它實施例中，控制器121將該比例值乘上非揮發性記憶體122中已寫滿區塊的總數而得到一比例區塊數量， 控制器121由目前最舊的已寫滿區塊對部分已寫滿區塊進行循讀操作，其中進行循讀操作的已寫滿區塊的數量等於比例區塊數量。
第4圖為本發明之控制方法的另一可能實施例。首先，判斷非揮發性記憶體是否從一關機狀態切換至一開機狀態(步驟S411)。當非揮發性記憶體由關機狀態切換至開機狀態時，對非揮發性記憶體裡的所有已寫滿區塊進行循讀操作(步驟S414)。然後，再回到步驟S411。
當非揮發性記憶體並非由一關機狀態切換至一開機狀態時，則根據非揮發性記憶體在第一及第二時間點之間的寫入工作量，計算一比例值(步驟S412)，並根據比例值對部分已寫滿區塊進行循讀操作(步驟S413)。由於步驟S412與S413相似於第3圖的步驟S311與S312，故不再贅述。
由於步驟S413僅對部分的已寫滿區塊進行循讀操作，故可大幅縮短處理時間，並可減少功率損耗。再者，藉由循讀操作搬移放置過久的資料，可維持資料的正確性。
除非另作定義，在此所有詞彙(包含技術與科學詞彙)均屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想狀態或過分正式之語態。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
S311~S312‧‧‧步驟

Claims (16)

  1. 一種非揮發性記憶裝置，包括：一非揮發性記憶體，具有複數已寫滿區塊以及複數未寫滿區塊；以及一控制器，根據該非揮發性記憶體在一第一時間點與一第二時間點之間被寫滿的區塊數量，計算一比例值，再將該比例值乘上該等已寫滿區塊的總數，用以得到一比例區塊數量，再根據該比例區塊數量對該等已寫滿區塊中之一部分區塊進行一循讀操作(patrol read)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非揮發性記憶裝置，其中該循讀操作係判斷該部分區塊之每一者的資料錯誤率，當該部分區塊之一第一區塊的資料錯誤率大於一容忍值時，該控制器搬移該第一區塊的有效資料至該等未寫滿區塊之至少一者中，並抺除該第一區塊。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之非揮發性記憶裝置，其中當該第一區塊的資料錯誤率大於該容忍值時，該控制器搬移該第一區塊的有效資料及無效資料至該等未寫滿區塊之至少一者中，並抺除該第一區塊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之非揮發性記憶裝置，其中該第一時間點係指進行完上一次循讀操作後的一時間點，該第二時間點係指準備進行下一次循讀操作前的一時間點。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之非揮發性記憶裝置，其中該控制器找出在該第一時間點後，最早被寫滿的一起始區塊，並找出在該第二時間點前，最後被寫滿的一最終區塊，並 根據該起始區塊及該最終區塊的一特性參數，計算該比例值，並根據該比例值決定進行該循讀操作的已寫滿區塊的數量。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之非揮發性記憶裝置，其中該特性參數包含該起始區塊及該最終區塊的索引值或是時間標籤。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之非揮發性記憶裝置，其中該控制器根據該等已寫滿區塊之每一者的一錯誤位元率、一編程/抹除次數、一錯誤位元數量或是一資料保持時間之至少一者，決定一最舊的已寫滿區塊，從該最舊的已寫滿區塊開始，對該部分區塊進行該循讀操作。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之非揮發性記憶裝置，其中當該非揮發性記憶體從一關機狀態到一開機狀態時，該控制器對該等已寫滿區塊之每一者進行該循讀操作。
  9. 一種控制方法，適用於一非揮發性記憶體，該非揮發性記憶體具有複數已寫滿區塊以及複數未寫滿區塊，該控制方法包括：根據該非揮發性記憶體在一第一時間點以及一第二時間點之間被寫滿的區塊數量，計算一比例值；將該比例值乘上該等已寫滿區塊的總數，用以得到一比例區塊數量；以及根據該比例區塊數量對該等已寫滿區塊之一部分區塊進行一循讀操作。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中根據該比例值 對該等已寫滿區塊之該部分區塊進行該循讀操作的步驟包括：判斷該部分區塊之每一者的資料錯誤率，其中當該部分區塊之一第一區塊的資料錯誤率大於一容忍值時，搬移該第一區塊的有效資料至該等未寫滿區塊之至少一者中，並抺除該第一區塊。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中當該第一區塊的資料錯誤率大於該容忍值時，搬移該第一區塊的有效資料及無效資料至該等未寫滿區塊之至少一者中，並抺除該第一區塊。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中該第一時間點係指進行完上一次循讀操作後的一時間點，該第二時間點係指準備進行下一次循讀操作前的一時間點。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中根據該非揮發性記憶體在該第一及第二時間點之間的該寫入工作量，計算該比例值的步驟包括：找出在該第一時間點後，最早被寫滿的一起始區塊；找出在該第二時間點前，最後被寫滿的一最終區塊；根據該起始區塊及該最終區塊的一特性參數，計算該比例值；以及根據該比例值決定進行該循讀操作的已寫滿區塊的數量。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中該特性參數包含該起始區塊及該最終區塊的索引值或是時間標籤。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，更包括： 根據該等已寫滿區塊之每一者的一錯誤位元率、一編程/抹除次數、一錯誤位元數量或是一資料保持時間之至少一者，決定一最舊的已寫滿區塊；以及從該最舊的已寫滿區塊開始，對該部分區塊進行該循讀操作。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，更包括：當該非揮發性記憶體從一關機狀態到一開機狀態時，對該等已寫滿區塊之每一者進行該循讀操作。
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