nandflash你不知道的那些事（一）：存在的损耗

闪存存在的问题  转载 [http://www.ssdfans.com]  

谈谈闪存的一些特点，或者说它作为存储介质面临的挑战。

 

闪存块（Block）具有一定的寿命，不是长生不老的。前面提到，当一个闪存块接近或者超出其最大擦写次数时，可能导致存储单元的永久性损伤，不能再使用。随着闪存工艺不断向前，这个擦写次数也变得越来越小。

 

图1-1 闪存损坏状态

 

在闪存当中的存储单元中，先天就有一些是坏掉的，或者说不稳定的。并且随着闪存的不断使用，坏的存储单元越来越多。所以，用户写入到闪存的数据，必须有ECC纠错码保护，这样即使其中的一些比特发生反转，读取的时候也能通过ECC纠正过来。一旦出错的比特超过纠错能力范围，数据就丢失，对这样的闪存块，我们应该废弃不再使用。

 

第一个问题是闪存先天有坏块，也就是说有出厂坏块。并且，用户在使用的时候，也会新添坏块，所以用户在使用闪存的时候，必须有坏块管理机制。

 

第二个问题是读干扰（Read Disturb）。什么意思？从闪存读取原理来看，当你读取一个闪存页（Page）的时候，闪存块当中未被选取的闪存页控制极都会加一个正电压，以保证未被选中的MOS管是导通的。这样问题就来了，频繁的在一个MOS管控制极加正电压，就可能导致电子被吸进浮栅极，形成轻微的写，从而最终导致比特翻转。但是，这个不是永久性损伤，重新擦除闪存块还能正常使用。注意的是，读干扰影响的是同一个闪存块中的其它闪存页，而非读取的闪存页本身。

 

图1-2 读干扰原理

 

第三个问题是写干扰（Program Disturb）。除了读干扰会导致比特翻转，写干扰也会导致比特翻转。还是要回到闪存内部的写原理上来。

 

图1-3 写干扰原理

 

我们写一个闪存页的时候，数据是0和1混合的。由于对擦除过的闪存块，其所有的存储单元初始值就是1，所以写的时候，只有写0的时候才真正需要写。如图3-48所示，方框里的单元是写0，需要写的，圆圈里的单元的代表写1，并不需要写操作。我们这里把方框里的单元称之为Programmed Cells，圆圈里的单元叫Stressed Cells。写某个闪存页的时候，我们是在其 WordLine的控制极加一个正电压(图3-48是20V)。对于Programmed Cells所在的String，它是接地的；不需要写的单元所在的String，它是接一正电压（图3-48为10V）。这样最终产生的后果是，Stressed Cell也会被轻微写。与读干扰不同的是，写干扰影响的不仅是同一个闪存块当中的其它闪存页，自身闪存页也受影响。相同的是，都是不期望的轻微写导致比特翻转，都非永久性损伤，经擦除后，闪存块还能再次使用。

 

第四个问题是存储单元之间的耦合影响（Cell-to-Cell interference）。前面提到，浮栅极闪存存储电荷的是导体，因此存储单元之间存在耦合电容，导致存储单元内的电荷发生意外变化，最终导致数据读取错误；

 

第五个问题是电荷泄漏。存储在闪存存储单元的电荷，如果长期不使用，会发生电荷泄漏。同样是非永久性损伤，擦除后闪存块还能使用。

 

第六个问题是EC（erase count），后面会提到，擦写次数多了会使浮栅极下面的绝缘层（Tunnel氧化物）变薄，最终永久性损伤

 

上面说的这些，是所有闪存面临的问题，包括SLC，MLC和TLC，这些问题的处理方法，在后面的FTL章节会进行介绍。不同商家的闪存，不同制成的闪存，以及2D/3D闪存，还有其特有的问题，用户在使用时需要用固件克服或者缓解这些问题。

 

寿命

 

我们大家生活在人间，祖祖辈辈和周围观察到的生灵告诉我们一个道理：所有的人和生物都不能像神仙一样长生不老。其实不只是生物，所有的存储器件都是有寿命的。

 

图1-4 SLC电压分布（来源：Inside NAND Flash Memory）

 

我们再来看图3-49这张0和1的分布图，横轴是电压，纵轴是存储单元的数量。0的区域表示被写过的那些单元电压分布区间，1的区域是被擦过的那些单元电压分布区间。所以说，如果要正确地读到数据，0和1这两个区间要尽量分割清楚，保证它们的主峰有足够远的距离。

 

除了0和1靠近之外，阈值电压也不能太偏。回忆一下读数据的原理。

 

图1-5 读操作电压示例

 

要读的单元栅极加 0V电压，这时擦过的晶体管阈值电压是-Vt，导通，沟道有电流，Bitline端的传感器能够检测到，读到“1”。而经过写的晶体管阈值电压是+Vt，不导通，沟道电流很小，读为“0”。随着擦写次数的增加，会发生三种故障：

l 擦过的晶体管阈值电压变大，从-Vt向0V靠近，这样读的时候沟道电流变小，传感器检测不到，读出错。

l 写过的晶体管阈值电压变小，从+Vt向0V靠近，有可能会被误检测为擦过的状态。

l 写过的晶体管阈值电压变大（如图3-50，>5V，即使控制极加5V电压，它也是截止的），有可能在其他的单元读的时候，把整个Bitline都给关了，一个死苍蝇害了一锅粥。

 

浮栅晶体管对浮栅极下面的绝缘层（Tunnel氧化物）很敏感，该氧化物厚度变薄（制程不断减小导致的）或者老化（Degradation，擦写次数多了）对浮栅极里面的电荷影响大。我们之前介绍了Charge Trap晶体管，其实随着擦写次数增多，浮栅晶体管的氧化层渐渐老化，产生不少Charge Trap，这些陷阱会吃掉电子。导致写之后，进入浮栅的电子数量会减少，最终的结局就是0和1两个区间不断靠近。

 

如图，上面是写后的阈值电压，下面是擦除后的阈值电压，很明显，擦除后的阈值电压在擦很多次之后显著变高。所以，一般擦除之后会做校验，方法是把所有的Wordline设为0V，再去检测每个Bitline的电流。如果某个Bitline电流是0，就意味着有个单元的擦除阈值电压接近0V，导致晶体管关断。所以这个闪存块应该标为坏块。

 

图1-6 阈值电压变化图（来源：Inside NAND Flash Memory）

 

了解了闪存存在的问题之后，我们再来看看固态硬盘设计实践中怎么解决这个问题。