Phison の AcademicedFlush™ でデータの正確性を確保

Author ショーン・ヤン | 2021年2月15日 | 全て, 消費者, 企業, テクノロジー

NAND フラッシュは、ゲート内に電子を捕捉する数百万個のフローティングゲートトランジスタで構成される不揮発性メモリです。これらのフローティングゲートトランジスタはメモリセルと考えることができます。数百万のメモリセルが接続されると、アレイが形成されます。各配列はブロックで構成され、各ブロックには多数のページが含まれます。

図 1 は、NAND アレイの概略図を示しています。

各ワードライン (WL) は、NAND の読み取り/プログラム操作の基本単位であるページを構成します。ただし、各 WL のページ数は、シングルレベルセル (SLC)、マルチレベルセル (MLC)、およびトリプルレベルセル (TLC) タイプの NAND では異なります。

図2は、MLC NANDでは同じWLを共有する2つのページ（下位ページと上位ページ）と、TLC NANDでは同じWLを共有する3つのページ（下位、中位、上位ページ）を示しています。同じ WL を共有するページはペアページと呼ばれます。

NAND フラッシュの物理的特性のため、NAND プログラミング操作では次の 2 つの黄金律に従う必要があります。

プログラミング操作は、NAND フラッシュの特性に基づいて指定された順序に従う必要があります。
ワード線 (WL) でのプログラミング操作が完了していない場合、この WL のデータの整合性は保証できません。

MLC または TLC NAND フラッシュの場合、単一ページのデータプログラミングは 1 ステップの操作ではありません。データプログラミング要件を達成するには、MLC/TLC ページを 2 ～ 3 回プログラムする必要があります。この現象はフラッシュメモリの物理的特性です。

ペアページのユーザーデータの整合性に関する懸念

現在の消費者向けソリッドステートドライブ (SSD) 市場では、MLC および TLC フラッシュが最も人気のあるメモリタイプです。 MLC および TLC フラッシュは、特に TLC において、より大きなストレージ容量を低コストで提供できます。ただし、MLC および TLC フラッシュでのプログラミング操作は SLC よりも複雑です。 TLC フラッシュを例にとると、操作全体を完了するには、同じ WL 上のペアページを 3 回プログラムする必要があります。

図 3 は、TLC フラッシュの完全なプログラム動作を示しています。 WL_x での 3 回目のプログラミング操作が終了した場合にのみ、WL_x に格納されたデータは信頼できるデータになります。

残念ながら、このプログラミング操作の複雑さにより、データ破損のリスクが増大します。データの整合性はプログラミングシーケンス全体 (つまり、最初のプログラム + 2 番目のプログラム + 3 番目のプログラム) が完了した後にのみ発生するため、プログラミング操作の完了前に予期せぬイベントが発生すると、データの破損または損失が発生します。

図 4 は、予期しないイベントによってデータプログラミング操作が中断された場合に何が起こるかを示しています。この場合、WL_2 のプログラミング動作が完了する前に電力損失が発生するため、WL_0/WL_1 に格納されているデータのみが保証されます。つまり、電力損失により他のデータが破損する可能性があります。

Phison 独自のテクノロジーである Academic Flush™ は、プログラミング操作中の予期せぬ中断によるストレージデバイスのデータ破損を防ぐために設計されています。

Academic Flush™ は、単一のデータプログラミングコマンドごとに実行されるわけではありません。代わりに、ストレージデバイスが FLUSH_CACHE コマンドを受信すると、AcademicedFlush™ がバックグラウンドでトリガーされます。したがって、FLUSH_CACH コマンドの前にデバイスにプログラムされたすべてのデータの整合性が、このテクノロジーによって保証されます。

図 5 は、GuarrantedFlush™ がカバーできるユーザーデータ範囲を示しています。

Academic Flush™ は、多層アルゴリズムの実装です。突然の停電からユーザーのデータを保護するために使用される基本的な方法が 2 つあります。

コンセプト1：ダミーデータ補正

1 つ目の方法は、プログラミング操作を高速化することです。 NAND フラッシュタイプが異なれば、プログラミングシーケンスも異なる場合があります。プログラミングシーケンスがどのように変化しても、単一の WL でのデータプログラミングの継続時間によって、予期せぬ中断によるデータ損失のリスクが決まります。この時間が長くなると、中断が発生する可能性が高くなります。この問題に対処するために、図 6 に示すように、特定の WL にダミーデータを挿入して、ユーザーデータを保存する WL がプログラミング動作全体 (つまり、1 番目のプログラム + 2 番目のプログラム + 3 番目のプログラム) を完了できるようにします。

以下の WL にダミーデータを挿入することで、ユーザーデータのプログラミング操作を完了できます。このようにして、予期しないイベントによって今後のプログラミングシーケンスが中断された場合でも、ユーザーデータの整合性が保証されます。

コンセプト 2: リアルタイムデータバックアップ

ペアページ効果によるデータ破損から SSD を保護する 2 番目の方法は、そもそもペアページの問題が発生することなく、データをページに直接バックアップすることです。 SLC モードとして設定されたページは、この要件を満たすことができます。これは、ユーザーデータを安全に保つための根本的な方法のように思えるかもしれません。ただし、SLC モードの容量は TLC メモリの 3 分の 1 です。リアルタイムデータバックアップの実装は別の問題になります。