探討閃存特點(diǎn)及作為存儲(chǔ)介質(zhì)面臨的挑戰(zhàn)

閃存塊（Block）具有一定的壽命，不是長生不老的。前面提到，當(dāng)一個(gè)閃存塊接近或者超出其最大擦寫次數(shù)時(shí)，可能導(dǎo)致存儲(chǔ)單元的永久性損傷，不能再使用。隨著閃存工藝不斷向前，這個(gè)擦寫次數(shù)也變得越來越小。

圖1-1 閃存損壞狀態(tài)

在閃存當(dāng)中的存儲(chǔ)單元中，先天就有一些是壞掉的，或者說不穩(wěn)定的。并且隨著閃存的不斷使用，壞的存儲(chǔ)單元越來越多。所以，用戶寫入到閃存的數(shù)據(jù)，必須有ECC糾錯(cuò)碼保護(hù)，這樣即使其中的一些比特發(fā)生反轉(zhuǎn)，讀取的時(shí)候也能通過ECC糾正過來。一旦出錯(cuò)的比特超過糾錯(cuò)能力范圍，數(shù)據(jù)就丟失，對(duì)這樣的閃存塊，我們應(yīng)該廢棄不再使用。

閃存先天有壞塊，也就是說有出廠壞塊。并且，用戶在使用的時(shí)候，也會(huì)新添壞塊，所以用戶在使用閃存的時(shí)候，必須有壞塊管理機(jī)制。

第二個(gè)問題是讀干擾（Read Disturb）。什么意思？從閃存讀取原理來看，當(dāng)你讀取一個(gè)閃存頁（Page）的時(shí)候，閃存塊當(dāng)中未被選取的閃存頁控制極都會(huì)加一個(gè)正電壓，以保證未被選中的MOS管是導(dǎo)通的。這樣問題就來了，頻繁的在一個(gè)MOS管控制極加正電壓，就可能導(dǎo)致電子被吸進(jìn)浮柵極，形成輕微的寫，從而最終導(dǎo)致比特翻轉(zhuǎn)。但是，這個(gè)不是永久性損傷，重新擦除閃存塊還能正常使用。注意的是，讀干擾影響的是同一個(gè)閃存塊中的其它閃存頁，而非讀取的閃存頁本身。

圖1-2 讀干擾原理

第三個(gè)問題是寫干擾（Program Disturb）。除了讀干擾會(huì)導(dǎo)致比特翻轉(zhuǎn)，寫干擾也會(huì)導(dǎo)致比特翻轉(zhuǎn)。還是要回到閃存內(nèi)部的寫原理上來。

圖1-3 寫干擾原理

我們寫一個(gè)閃存頁的時(shí)候，數(shù)據(jù)是0和1混合的。由于對(duì)擦除過的閃存塊，其所有的存儲(chǔ)單元初始值就是1，所以寫的時(shí)候，只有寫0的時(shí)候才真正需要寫。如圖3-48所示，方框里的單元是寫0，需要寫的，圓圈里的單元的代表寫1，并不需要寫操作。我們這里把方框里的單元稱之為Programmed Cells，圓圈里的單元叫Stressed Cells。寫某個(gè)閃存頁的時(shí)候，我們是在其 WordLine的控制極加一個(gè)正電壓(圖3-48是20V)。對(duì)于Programmed Cells所在的String，它是接地的；不需要寫的單元所在的String，它是接一正電壓（圖3-48為10V）。這樣最終產(chǎn)生的后果是，Stressed Cell也會(huì)被輕微寫。與讀干擾不同的是，寫干擾影響的不僅是同一個(gè)閃存塊當(dāng)中的其它閃存頁，自身閃存頁也受影響。相同的是，都是不期望的輕微寫導(dǎo)致比特翻轉(zhuǎn)，都非永久性損傷，經(jīng)擦除后，閃存塊還能再次使用。

第四個(gè)問題是存儲(chǔ)單元之間的耦合影響（Cell-to-Cell interference）。前面提到，浮柵極閃存存儲(chǔ)電荷的是導(dǎo)體，因此存儲(chǔ)單元之間存在耦合電容，導(dǎo)致存儲(chǔ)單元內(nèi)的電荷發(fā)生意外變化，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤；

還有個(gè)問題是電荷泄漏。存儲(chǔ)在閃存存儲(chǔ)單元的電荷，如果長期不使用，會(huì)發(fā)生電荷泄漏。同樣是非永久性損傷，擦除后閃存塊還能使用。

上面說的這些，是所有閃存面臨的問題，包括SLC，MLC和TLC，這些問題的處理方法，在后面的FTL章節(jié)會(huì)進(jìn)行介紹。不同商家的閃存，不同制成的閃存，以及2D/3D閃存，還有其特有的問題，用戶在使用時(shí)需要用固件克服或者緩解這些問題。

壽命

我們大家生活在人間，祖祖輩輩和周圍觀察到的生靈告訴我們一個(gè)道理：所有的人和生物都不能像神仙一樣長生不老。其實(shí)不只是生物，所有的存儲(chǔ)器件都是有壽命的。

圖1-4 SLC電壓分布（來源：Inside NAND Flash Memory）

我們?cè)賮砜磮D3-49這張0和1的分布圖，橫軸是電壓，縱軸是存儲(chǔ)單元的數(shù)量。0的區(qū)域表示被寫過的那些單元電壓分布區(qū)間，1的區(qū)域是被擦過的那些單元電壓分布區(qū)間。所以說，如果要正確地讀到數(shù)據(jù)，0和1這兩個(gè)區(qū)間要盡量分割清楚，保證它們的主峰有足夠遠(yuǎn)的距離。

除了0和1靠近之外，閾值電壓也不能太偏。回憶一下讀數(shù)據(jù)的原理。

圖1-5 讀操作電壓示例

要讀的單元柵極加 0V電壓，這時(shí)擦過的晶體管閾值電壓是-Vt，導(dǎo)通，溝道有電流，Bitline端的傳感器能夠檢測(cè)到，讀到“1”。而經(jīng)過寫的晶體管閾值電壓是+Vt，不導(dǎo)通，溝道電流很小，讀為“0”。隨著擦寫次數(shù)的增加，會(huì)發(fā)生三種故障：

l 擦過的晶體管閾值電壓變大，從-Vt向0V靠近，這樣讀的時(shí)候溝道電流變小，傳感器檢測(cè)不到，讀出錯(cuò)。

l 寫過的晶體管閾值電壓變小，從+Vt向0V靠近，有可能會(huì)被誤檢測(cè)為擦過的狀態(tài)。

l 寫過的晶體管閾值電壓變大（如圖3-50，>5V，即使控制極加5V電壓，它也是截止的），有可能在其他的單元讀的時(shí)候，把整個(gè)Bitline都給關(guān)了，一個(gè)死蒼蠅害了一鍋粥。

浮柵晶體管對(duì)浮柵極下面的絕緣層（Tunnel氧化物）很敏感，該氧化物厚度變?。ㄖ瞥滩粩鄿p小導(dǎo)致的）或者老化（Degradation，擦寫次數(shù)多了）對(duì)浮柵極里面的電荷影響大。我們之前介紹了Charge Trap晶體管，其實(shí)隨著擦寫次數(shù)增多，浮柵晶體管的氧化層漸漸老化，產(chǎn)生不少Charge Trap，這些陷阱會(huì)吃掉電子。導(dǎo)致寫之后，進(jìn)入浮柵的電子數(shù)量會(huì)減少，最終的結(jié)局就是0和1兩個(gè)區(qū)間不斷靠近。

如圖，上面是寫后的閾值電壓，下面是擦除后的閾值電壓，很明顯，擦除后的閾值電壓在擦很多次之后顯著變高。所以，一般擦除之后會(huì)做校驗(yàn)，方法是把所有的Wordline設(shè)為0V，再去檢測(cè)每個(gè)Bitline的電流。如果某個(gè)Bitline電流是0，就意味著有個(gè)單元的擦除閾值電壓接近0V，導(dǎo)致晶體管關(guān)斷。所以這個(gè)閃存塊應(yīng)該標(biāo)為壞塊。

圖1-6 閾值電壓變化圖（來源：Inside NAND Flash Memory）

了解了閃存壽命的原理之后，我們?cè)賮砜纯垂虘B(tài)硬盤設(shè)計(jì)實(shí)踐中怎么解決這個(gè)問題。一般有以下方法：

Wear Leveling：通過磨損平衡算法，讓所有的閃存塊均衡擦寫，避免少數(shù)閃存塊先掛掉，導(dǎo)致固態(tài)硬盤容量下降。

降低寫放大：寫放大越低，固態(tài)硬盤的磨損速度越慢。

用更好的糾錯(cuò)算法：糾錯(cuò)能力更強(qiáng)，容許的出錯(cuò)率更高，可以延長使用壽命。