Die Rolle, die Solid State Drives (SSDs) auf dem Speichermarkt spielen, wird immer wichtiger. Und aufgrund der enormen Vorteile, die SSDs gegenüber herkömmlichen Festplattenlaufwerken (HDDs) haben, werden SSDs bald zur Mainstream-Speicherlösung werden.
Die Einführung von SSD hängt mit der Prozessentwicklung von NAND-Flash zusammen. Wie bei anderen Halbleiterprodukten werden die Stückkosten für NAND-Flash-Chips durch die Reduzierung des Verarbeitungsknotens erheblich gesenkt. Auch Flash-Speicher werden hauptsächlich durch Transistorskalierung und Multi-Level-Cell-Technologie (MLC) vorangetrieben. In einer einzelnen Flash-Zelle kann mehr als ein Bit gespeichert werden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von NAND-Flash wird die Zuverlässigkeit leider mit der Verkleinerung der Transistoren und der Zunahme der Datenbits in einer einzelnen Flash-Zelle schlechter. Es wurden Technologien entwickelt, um diese Nebenwirkungen abzudecken.
Lesestörungsfehler
NAND-Flash-Speicher bestehen aus Millionen von Transistoren (MOSFET). Jeder MOSFET kann als Speicherzelle betrachtet werden. Diese Speicherzellen speichern Daten über eine Schwellenspannung (Vth), die niedrigste Spannung, die die Speicherzelle „einschalten“ kann.
Am Beispiel des 2-Bit-MLC-NAND gibt es im 2-Bit-MLC-NAND vier Datenzustände. Drei Referenzspannungen (z. B. V1, V2 und V3), die den gesamten Bereich möglicher Vth-Werte in diese vier Segmente unterteilen. Der von Vth lokalisierte Bereich gibt den aktuellen Zustand der Speicherzelle an, der zur Identifizierung der in der Speicherzelle gespeicherten Daten verwendet wird. Es gibt eine Obergrenze für die Schwellenspannung aller Speicherzellen, die als Durchgangsspannung (Vpass) bezeichnet wird. Vpass ist die Spannung, die erforderlich ist, um sicherzustellen, dass eine Speicherzelle „eingeschaltet“ wird.
Ein NAND-Flash-Block kann als ein Array aus vielen Transistoren betrachtet werden. Ein einfacher Lesevorgang am NAND-Flash-Speicher wird durch Anlegen einer Referenzspannung (Vref) an die Wortleitung (WL) und anschließendes Überprüfen des Ein-/Ausschaltstatus der ausgewählten Zelle an dieser WL durchgeführt. Speicherzellen auf derselben Bitleitung (BL) sind mit ihren Nachbarzellen verbunden. Da die zu lesende Zelle nur eine davon ist, müssen andere nicht ausgewählte Zellen ihren „EIN“-Status beibehalten, um sicherzustellen, dass der Status der ausgewählten Zelle erkannt werden kann. Daher muss ein Pass-Through (Vpass) auf andere nicht ausgewählte Zellen auf derselben BL angewendet werden.
Auf diese Weise werden die Schwellenspannungen anderer nicht ausgewählter Zellen im selben Block auf einen höheren Wert verschoben, wenn ein Datenlesevorgang durchgeführt wird.
Der Status nicht ausgewählter Speicherzellen im selben Block kann aufgrund des Vpass beeinflusst werden. Wenn eine Durchgangsspannung an die nicht ausgewählten Transistoren angelegt wird, können aufgrund eines Tunneleffekts, der als Fowler-Nordheim-Tunneling bezeichnet wird, elektrische Ladungen in das Floating-Gate injiziert werden. Dieser Effekt führt zu einer Verschiebung der Schwellenspannungen der Transistoren und führt dann zu einer unzulässigen Datenverzerrung.
Aufbewahrungsfehler im NAND-Flash
Manche Nutzer schreiben Dateien auf eine SSD, greifen aber längere Zeit nicht darauf zu. In diesen alten Dateien können einige Fehler festgestellt werden. Diese Art von Fehler wird durch einen Ladungsverlust im Laufe der Zeit verursacht. Dieses Phänomen ähnelt der Grundursache einer „Lesestörung“. Die in den Transistoren vorhandenen Ladungen bestimmen den Schwellenspannungspegel der Speicherzelle. Mit der Skalierungsreduzierung von NAND-Flash wird auch die Größe des Schwellenspannungsfensters immer kleiner. Dieser Abwärtsskalierungstrend erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Verschiebung des Schwellenspannungspegels aufgrund des Retentionsrauschens. Allerdings muss die Integrität selten abgerufener Daten weiterhin gewährleistet werden.
Phisons SmartRefresh™-Technologie
Um die auf einer SSD gespeicherten Daten zu schützen, hat Phison eine proprietäre Technologie namens entwickelt SmartRefresh™ das zwei Hauptmethoden verwendet:
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- Dynamische Fehlerbitüberwachung (DEBM)
- Lesen Sie „Wiederholen“.
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Mit der Verringerung der Prozessskalierung wird die intrinsische Zuverlässigkeit von NAND-Flash zu einem Problem. Die ECC-Fähigkeit (Error Correction Code) ist zu einem der kritischsten Themen in der NAND-Flash-Branche geworden. Unabhängig davon, welche Art von ECC-Algorithmus verwendet wird, muss leider eine theoretische Einschränkung seiner Korrekturfähigkeit bestehen. Wenn Fehler reduziert oder vermieden werden können, bevor die ECC-Engine ausgelöst wird, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass die ECC-Engine Benutzerdaten nicht wiederherstellen kann. Dynamic Error Bit Monitoring (DEBM) ist ein Mechanismus zur Überprüfung des Datenzustands, bevor es zu einer Datenbeschädigung kommt.
Die eingebettete Firmware von Phison läuft im Hintergrund, um das Fehlerbit jedes Blocks zu überprüfen. Sobald ein Blockfehler innerhalb der von unserer Firmware festgelegten Kriterien auftritt (d. h. die Anzahl der Fehlerbits liegt über dem im Voraus festgelegten Schwellenwert), führt die Firmware bestimmte Aktionen für diesen fehlerhaften Block durch, um die Integrität der Benutzerdaten zu gewährleisten.
Lesewiederholung
Eine weitere Möglichkeit, korrekte Daten von einem problematischen NAND-Block zu erhalten, besteht darin, verschiedene Spannungspegel für die Dateninterpretation auszuwählen. Abb. 1 zeigt einen Lesevorgang auf einem 2-Bit-MLC-NAND-Flash und die Schwellenspannung (Vth), die zur Interpretation gespeicherter Daten verwendet wird. Die Firmware von Phison verwendet geeignete Spannungspegel, um die Daten zu analysieren, wenn der aktuelle Zielblock als riskant identifiziert wurde. Die Zuverlässigkeit der mit dieser Methode abgerufenen Daten hängt von der Auswahl von Vth ab. Der proprietäre Algorithmus von Phison ermittelt den besten Vth-Wert basierend auf der Zustandsbewertung von NAND-Blöcken.
Leerlaufzeit-Medienscan (ITMS)
Die zuvor genannten Methoden können als vorbeugende Maßnahme bzw. als Korrekturmaßnahme angesehen werden. SmartRefresh™ ist eine Technologie, die diese beiden Methoden kombiniert, um Benutzerdaten aufgrund der physikalischen Eigenschaften von NAND-Flash vor unerwünschten Fehlern zu schützen. Dieser Mechanismus ist in zwei Stufen unterteilt.
Stufe eins ist der Idle-Time Media Scan (ITMS). ITMS wird ausgelöst, wenn der Host in den IDLE-Status übergegangen ist. Sobald ITMS aktiviert ist, wird das ITMS in viele ITMS-Zyklen unterteilt und in jedem ITMS-Zyklus wird eine Reihe von Sektoren gescannt
ITMS ist ein Mechanismus, der verwendet wird, um zu erkennen, ob die gescannten Blöcke fehlerfrei sind, nachdem DEBM- und Read Retry-Vorgänge ausgeführt wurden. Wenn ein Block als fehlerhafter Block identifiziert wird, werden die gültigen Daten innerhalb des fehlerhaften Blocks entsprechend verarbeitet, um Datenverluste zu vermeiden. Da ITMS die Dauer, in der ein Host in einen IDLE-Modus wechselt, nutzt, um den Gesundheitszustand der gespeicherten Daten zu überprüfen, kann dieser unterbrochen werden, wenn der Host Befehle an ein Laufwerk sendet. In diesem Fall wird ITMS gestoppt und der nächste ITMS-Zyklus wird von einer Adresse aus gestartet, die im letzten ITMS-Zyklus nicht überprüft wurde.
Laufzeit-Medienscan (RTMS)
Stufe zwei ist der Run-Time Media Scan (RTMS). Im Gegensatz zu ITMS ist der Zeitpunkt zur Durchführung von RTMS nicht auf den IDLE-Modus beschränkt. RTMS garantiert, dass das gesamte Laufwerk in einem bestimmten Zeitraum (z. B. einmal pro Woche) vollständig gescannt wird, auch wenn der Host weiterhin Befehle an ein Laufwerk sendet. Mit anderen Worten: RTMS soll die Datenintegrität von Laufwerken gewährleisten, die für die Verarbeitung langfristiger Aufgaben verwendet werden.
Phison gewährleistet die Integrität Ihrer Daten
Die proprietäre Technologie von Phison, SmartRefresh™, bietet einen zuverlässigen Mechanismus zur Gewährleistung der Datenintegrität, einschließlich mehrerer Aktionsebenen zum Schutz der auf einer SSD gespeicherten Benutzerdaten. Durch die Einführung der SmartRefresh™-Lösung von Phison können Sie die Fehler vermeiden, die durch die intrinsischen Eigenschaften von NAND-Flash verursacht werden.
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