TWI659311B - 資料儲存系統以及非揮發式記憶體操作方法 - Google Patents

資料儲存系統以及非揮發式記憶體操作方法 Download PDF

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Abstract

因應高於一臨界值的環境溫差而對一非揮發式記憶體進行的預熱操作。該非揮發式記憶體的一控制器用於操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達一預熱目標。在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器避開對該非揮發式記憶體寫入有效資料。在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器可對該非揮發式記憶體寫入虛資料、或自該非揮發式記憶體讀取虛資料。

Description

資料儲存系統以及非揮發式記憶體操作方法
本發明係有關於資料儲存系統以及非揮發式記憶體的操作方法。
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。
非揮發式記憶體的數據可靠度會受環境溫度影響。以車用電子為例，其環境溫度變化極大。未開空調時，溫度有可能低到負40度C，也有可能高達正85度C。如此巨大溫差會大大影響資料儲存的可靠度。例如，低溫時寫入的資料無法被正確讀出(高溫讀取特別容易出錯)。
除了車用電子，非揮發式記憶體更有其他種應用也需要對抗環境巨大溫差，確保資料可靠度。
本案揭露一種非揮發式記憶體的預熱技術，因應高於一臨界值的環境溫差。
根據本案一種實施方式實現的一種資料儲存系統，包括：一非揮發式記憶體；以及一控制器。該控制器操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達一預熱目標。在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器避開對該非揮發式記憶體寫入有效資料。
一種實施方式中，在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器對該非揮發式記憶體寫入虛資料。一種實施方式中，在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器讀取該非揮發式記憶體，但視讀取自該非揮發式記憶體的資料為虛資料。
一種實施方式中，該控制器自身超頻，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。一種實施方式中，該控制器提升該非揮發式記憶體傳輸率，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。一種實施方式中，該資料儲存系統更包括一片內終端。該控制器導通該片內終端，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
一種實施方式中，該資料儲存系統更包括一主動散熱裝置。該控制器關閉該主動散熱裝置，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
一種實施方式中，該資料儲存系統更包括一溫度計。根據該溫度計，該控制器取得一目前溫度值、且更記錄一歷史編程溫度值。該歷史編程溫度值為該非揮發式記憶體上一目的區塊的平均編程溫度、或該目的區塊最後一次編程的溫度。該控制器在該資料儲存系統上電後，更判斷該目前溫度值 與該歷史編程溫度值的一差值是否超越一臨界值。該控制器是藉操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達該預熱目標，因應該差值超越該臨界值的狀況。
另一種實施方式中，控制器是根據該溫度計取得一目前溫度值。該控制器在該資料儲存系統上電後，更判斷該目前溫度值是否置於一工作溫度區間。該控制器是藉操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達該預熱目標，因應該目前溫度值非置於該工作溫度區間的狀況。
一種實施方式中，該控制器以及該非揮發式記憶體採多晶片封裝，更利於實現該控制器操作該非揮發式記憶體達到的預熱技術。
本案更揭露非揮發式記憶體操作方法，包括：操作一非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達一預熱目標；且在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，避開對該非揮發式記憶體寫入有效資料。
下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明內容。
100‧‧‧行車電腦
102‧‧‧主機
104‧‧‧資料儲存裝置
106‧‧‧快閃記憶體
108‧‧‧控制器
110‧‧‧動態隨機存取記憶體(DRAM)
112、114‧‧‧溫度計
116‧‧‧片內終端
118‧‧‧主動散熱裝置
S202…S214‧‧‧步驟
第1圖圖解根據本案一種實施方式所實現的一行車電腦100，其中包括一主機102以及一資料儲存裝置104；第2A圖為本案一種實施方式圖解資料儲存媒體預熱方法的流程圖，控制器108可本案資料儲存媒體預熱方法而對快閃記憶體106進行預熱(Pre-Heating)操作； 第2B圖為本案另一種實施方式圖解資料儲存媒體預熱方法的流程圖；第3圖圖解多晶片封裝的資料儲存裝置104之元件溫度變化；且第4圖係對應不同溫度(包括攝氏25度、攝氏負40度、攝氏負30度以及攝氏負20度)，為三階儲存單元(TLC)各種儲存內容的辨識電壓(Vth)圖解分布機率。
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，可用於實現資料儲存裝置、或應用於數據中心。以下特別以快閃記憶體(Flash memory)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，用來實現記憶卡(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(Multi-chip Packaging)、將快閃記憶體與其控制器包裝在一起。
以快閃記憶體為儲存媒體的資料儲存裝置可應用 於多種電子裝置上。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、行車電腦…等。電子裝置的運算模塊可視為一主機(Host)，操作電子裝置所使用的資料儲存裝置，透過資料儲存裝置中的控制器存取資料儲存裝置中的快閃記憶體。
快閃記憶體實現的資料儲存裝置也可用於建構數據中心(Data Center)。例如，伺服器可操作固態硬碟(SSD)陣列形成數據中心。伺服器即可視為一主機(Host)，操作所連結之固態硬碟，以存取其中快閃記憶體。
以下特別討論行車電腦所面臨的環境溫差問題，但並不意圖限定之。在現今極端氣候下，各種應用的資料儲存裝置都可能面臨可觀的環境溫差，需要本案設計。
第1圖圖解根據本案一種實施方式所實現的一行車電腦100，其中包括一主機102以及一資料儲存裝置104。該資料儲存裝置104以快閃記憶體106為非揮發式儲存媒體，並提供一控制器108以根據該主機102之命令操作該快閃記憶體106。圖示資料儲存裝置104具有一動態隨機存取記憶體(DRAM)110，供該控制器108運用。在其他實施方式中，該動態隨機存取記憶體110可以其他揮發式儲存媒體一例如，靜態隨機存取記憶體(SRAM)一取代。一種實施方式中，資料儲存裝置104可為一多晶片封裝(MCP，Multi-Chip Package)，將快閃記憶體106、控制器108以及動態隨機存取記憶體(DRAM)110包裝在一起。動態隨機存取記憶體110不限定製作在資料儲存裝置104的該多晶片封裝內部，也可以是外接 式。
本案控制器108會對快閃記憶體106進行預熱(Pre-Heating)操作，確保快閃記憶體106非揮發式儲存資料的可靠度，避開在過低溫度將資料寫入快閃記憶體106。
如圖所示實施方式，快閃記憶體106上的溫度計112以及控制器108上的溫度計114都可應用來實現本案預熱操作。藉由取得溫度計112/114所偵測的溫度值，控制器108可決定是否啟動本案資料儲存媒體預熱方法，或是是否結束本案資料儲存媒體預熱方法。
本案可使用多種虛假操作以達到預熱的目的，包括寫入虛資料(Dummy Data，有別於有效資料)至快閃記憶體106，或是無意義讀取快閃記憶體106(例如，將讀到的資料視為虛資料或直接予以丟棄)。為了加速預熱，控制器108可以運作於較高工作頻率；另外，除了控制器108本身之外，控制器108亦可令快閃記憶體106切換至較高工作頻率模式，例如：由DDR模式切至DDR2模式，或是SDR模式切至DDR模式。如果資料儲存裝置104如圖所示配置有主動散熱裝置118，例如：風扇，則不致能主動散熱裝置118的運作，亦可達到預熱的效果。第1圖所示快閃記憶體106包括片內終端(On-Die Termination)116，通常相應快閃記憶體106從DDR模式切換至DDR2模式時導通，用於應付電磁波干擾(Glitch)。片內終端116導通會產生耗電熱能。控制器108也可藉由導通該片內終端116達到快速預熱。
第2A圖為本案一種實施方式圖解資料儲存媒體預 熱方法的流程圖，控制器108可本案資料儲存媒體預熱方法而對快閃記憶體106進行預熱(Pre-Heating)操作。
行車電腦100上電後，資料儲存裝置104開始初始化(步驟S202)，初始化的過程中包括致能控制器108、快閃記憶體106、以及溫度計112/114，更可致能DRAM 110。
步驟S204中，控制器108取得歷史編程溫度值(historical programming temperature)以及目前溫度值，其中，歷史編程溫度值為快閃記憶體106中目的區塊的平均編程溫度、或最後一次執行資料編程時所記錄的溫度值，平均或最後一次執行資料編程時的溫度值較佳記錄於目的區塊末端，為關閉資訊(End of Block，EOB)，或記錄在目的區塊的閒置區(Spare Area)中。另外，目前溫度值以及歷史編程溫度值較佳皆為溫度計112/114所感測到的溫度值，目的區塊為控制器108目前所欲存取的區塊，目的區塊較佳為儲存系統資訊的區塊，或以SLC模式進行資料編程的區塊，或已寫入關閉資訊(EOB)的區塊。
步驟S206中，控制器108判斷歷史編程溫度值以及目前溫度值的差值是否大於一臨界值。假設歷史編程溫度為攝氏80度，目前溫度為攝氏負40度，臨界值為100，則控制器108判斷歷史編程溫度值以及目前溫度值的差值為120，差值大於臨界值，因此，執行步驟S208；如果控制器108判斷歷史編程溫度值以及目前溫度值的差值不大於臨界值，則結束本案資料儲存媒體預熱方法。
步驟S208中，控制器108調整資料儲存媒體的工 作參數。控制器108調整快閃記憶體106的工作參數，例如，工作頻率模式由從DDR 200提升到DDR 400。此外，控制器108也可以調整本身的工作參數，例如，工作頻頻由375M赫茲調整到525M赫茲操作，或調整DRAM 110的工作參數，例如，工作頻率模式由從DDR 200提升到DDR 400。快閃記憶體106及週邊元件操作在較高的工作參數下，理論上會消耗較多的能量並造成較高的溫度。另外，控制器108更可以去能/不致能主動散熱裝置118的運作，以達到本發明預熱的目的。
步驟S210中，控制器108以調整後的工作參數對資料儲存媒體執行虛假操作。控制器108對快閃記憶體106進行虛資料(Dummy Data)寫入、或是大量的資料讀取(無意義讀取)、或重覆讀取目的區塊所儲存的資料。在執行虛假操作後，快閃記憶體106本身的溫度將會增加，同時間，週邊元件，包括：控制器108或DRAM 110，的溫度也會增加，溫度計112/114所量測的溫度也會增加。當溫度計112/114所偵測的溫度值由攝氏負40度提升至攝氏負20度後，步驟S206將不再滿足，控制器108結束本案資料儲存媒體預熱方法，並回復快閃記憶體106、控制器108或DRAM 110的工作參數，之後，控制器108以正常地(預設地)操作方式對快閃記憶體106進行操作。
另外，控制器108以正常地操作方式對快閃記憶體106進行操作時，控制器108所使用的工作參數可使快閃記憶體106以較低存取能力(例如：SDR)下運作，以取得控制器108運作所需之韌體(Firmware)。在取得韌體之後，控制 器108可使用不同的工作參數以使快閃記憶體106以較高存取能力(例如：DDR)下運作，此時，控制器108所使用的工作參數可與步驟S208中所使用的工作參數相同(例如：同為DDR2)，或者，仍低於步驟S208中所使用的工作參數(例如：為DDR，慢於DDR2)。
第2B圖為本案另一種實施方式圖解資料儲存媒體預熱方法的流程圖，此實施方式與上一實施方式的部份步驟相同，故使用相同的步驟編號，包括步驟S202、S208以及S210，下文中僅針對不同的步驟，包括步驟S212以及S214，進行說明。
步驟S212中，控制器108取得目前溫度值，目前溫度值較佳為溫度計112/114所感測到的溫度值。
步驟S214中，控制器108判斷目前溫度值是否置於工作溫度區間。假設目前溫度值為攝氏負40度，而工作溫度區間為攝氏負20度至攝氏80度(中間值為攝氏25度)，因此，目前溫度值並非置於工作溫度區間，故執行步驟S208以及S210，以增加溫度計112/114所感測到的溫度值(目前溫度值)。
本案預熱技術在多晶片封裝(MCP，Multi-Chip Package)應用中，特別有顯著效果。第3圖圖解多晶片封裝的資料儲存裝置104之元件溫度變化。甫上電時，快閃記憶體106、控制器108以及動態隨機存取記憶體110的溫度極低，為攝氏負40度。例如，在雪地環境，車輛未發動時，車內溫度可能就是如此低溫。本案資料儲存媒體預熱方法的作用下， 快閃記憶體106、控制器108以及動態隨機存取記憶體110都有熱能產生，達到預熱效果。多晶片封裝可以顯著縮時此預熱操作。熱能在多晶片封裝中快速達成預熱作用。預熱完成後，資料儲存裝置104之元件溫度皆有所提升，如圖所示，快閃記憶體106由攝氏負40度升溫到攝氏負20度，控制器108由攝氏負40度升溫到攝氏負10度，且動態隨機存取記憶體110由攝氏負40度升溫到攝氏負20度。以雪地環境的行車電腦為例，即使車輛空調尚未完全作用，行車電腦100的資料儲存裝置104依照本案資料儲存媒體預熱方法而可正常工作。本案預熱設計使得資料儲存裝置104之運作不受限於外在空調。
另外，對應不同溫度(包括攝氏25度、攝氏負40度、攝氏負30度以及攝氏負20度)，第4圖為三階儲存單元(TLC)各種儲存內容的辨識電壓(Vth)圖解分布機率。以下對應第3圖進行說明。甫上電時，快閃記憶體106處於攝氏負40度。相較於攝氏25度的分布機率圖，攝氏負40度的三階儲存單元(TLC)辨識電壓(Vth)明顯左移，極容易落入不可辨識區。隨著預熱操作，快閃記憶體106升溫到攝氏負30度。相較於攝氏負40度的分布機率圖，攝氏負30度的三階儲存單元(TLC)辨識電壓(Vth)受些微修正，右移使較少機會落入不可辨識區。達預熱目標攝氏負20度後，三階儲存單元(TLC)辨識電壓(Vth)又更右移，避開不可辨識區。本案預熱技術顯著提升快閃記憶體106儲存資料的可靠度。
舉凡以控制器108對快閃記憶體106進行虛假操作以達到預熱目的的技術，都屬於本案預保護範圍。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。

Claims (16)

  1. 一種資料儲存系統，包括：一非揮發式記憶體；一溫度計；以及一控制器，操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達一預熱目標，其中，在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器避開對該非揮發式記憶體寫入有效資料，其中：根據該溫度計，該控制器記錄一歷史編程溫度值，該歷史編程溫度值為該非揮發式記憶體上一目的區塊的平均編程溫度、或該目的區塊最後一次編程的溫度；該控制器在該資料儲存系統上電後，根據該溫度計取得一目前溫度值，更判斷該目前溫度值與該歷史編程溫度值的一差值是否超越一臨界值；且該控制器是藉操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達該預熱目標，因應該差值超越該臨界值的狀況。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，其中：在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器對該非揮發式記憶體寫入虛資料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，其中：在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，該控制器讀取該非揮發式記憶體，但視讀取自該非揮發式記憶體的資料為虛資料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，其中：該控制器自身超頻，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，其中：該控制器提升該非揮發式記憶體的傳輸率，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，更包括：一片內終端，其中，該控制器導通該片內終端，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，更包括：一主動散熱裝置，其中，該控制器關閉該主動散熱裝置，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存系統，其中：該控制器以及該非揮發式記憶體採多晶片封裝。
  9. 一種非揮發式記憶體操作方法，包括：操作一非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達一預熱目標；且在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，避開對該非揮發式記憶體寫入有效資料，其中係：根據一溫度計，記錄一歷史編程溫度值，該歷史編程溫度值為該非揮發式記憶體上一目的區塊的平均編程溫度、或該目的區塊最後一次編程的溫度；在該非揮發式記憶體所屬的一資料儲存系統上電後，根據該溫度計取得一目前溫度值，更判斷該目前溫度值與該歷史編程溫度值的一差值是否超越一臨界值；且藉操作該非揮發式記憶體，使該非揮發式記憶體達該預熱目標，以因應該差值超越該臨界值的狀況。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，對該非揮發式記憶體寫入虛資料。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：在使該非揮發式記憶體達該預熱目標之前，讀取該非揮發式記憶體，但視讀取自該非揮發式記憶體的資料為虛資料。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：令操作該非揮發式記憶體的一控制器自身超頻，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：提升該非揮發式記憶體的傳輸率，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：將該非揮發式記憶體耦接一片內終端，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：關閉一主動散熱裝置，使該非揮發式記憶體加速達該預熱目標。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體操作方法，其中：採多晶片封裝將該非揮發式記憶體與操作該非揮發式記憶體的一控制器封裝在一起。
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