NAND Flash 101：群联 SmartRefresh™

保证 NAND 闪存的可靠性和数据完整性

作者肖恩·杨 | 2021 年 12 月 6 日 | 全部, NAND闪存101, 技术

固态硬盘 (SSD) 在存储市场中扮演的角色变得越来越重要。由于SSD相对于传统硬盘（HDD）具有巨大的优势，SSD将很快成为主流存储解决方案。

SSD的采用与NAND闪存的工艺演进有关。与其他半导体产品一样，NAND闪存芯片的单位成本将通过减少处理节点而显着降低。闪存也主要由晶体管缩放和多级单元（MLC）技术驱动。单个闪存单元中可以存储多于一位的数据。不幸的是，由于NAND闪存的物理特性，随着晶体管尺寸的缩小和单个闪存单元中数据位的增加，可靠性会变得更差。已经开发出技术来弥补这些副作用。

读取干扰错误

NAND 闪存由数百万个晶体管 (MOSFET) 组成。每个MOSFET可以被视为一个存储单元。这些存储单元通过阈值电压 (Vth) 存储数据，这是能够“打开”存储单元的最低电压。

以2-bit MLC NAND为例，2-bit MLC NAND中的数据有四种状态。将可能的 Vth 值的整个范围划分为这四个部分的三个参考电压（例如，V1、V2 和 V3）。 Vth所在的区域表示存储单元当前的状态，用于识别存储单元中已经存储了哪些数据。所有存储单元的阈值电压都存在一个上限，称为直通电压(Vpass)。 Vpass 是保证存储单元“开启”所需的电压。

NAND闪存块可以被视为许多晶体管的阵列。 NAND 闪存上的简单读取操作是通过向字线 (WL) 施加参考电压 (Vref)，然后检查该 WL 上所选单元的开关 ON/OFF 状态来执行的。同一位线（BL）上的存储器单元与其相邻单元连接。由于要读取的单元格只是其中之一，因此其他未选中的单元格必须保持其“ON”状态，以确保可以感测到所选单元格的状态。因此，必须对同一 BL 上的其他未选定单元应用直通 (Vpass)。

这样，当执行读数据操作时，同一块中的其他未选择单元的阈值电压被移位到较高值。

由于Vpass，同一块中未选择的存储单元的状态可能会受到影响。当直通电压施加到未选择的晶体管时，由于称为福勒-诺德海姆隧道效应的隧道效应，电荷可能被注入到浮动栅极中。这种效应将引起晶体管阈值电压的偏移，从而导致不可接受的数据失真。

NAND闪存中的保留错误

有些用户将文件写入SSD，但很长时间不访问它们。在这些旧文件中可以检测到一些错误。这种错误是由于随着时间的推移电荷泄漏造成的。这种现象类似于“读干扰”的根本原因。晶体管中存在的电荷决定存储单元的阈值电压电平。随着NAND闪存尺寸的缩小，阈值电压窗口的尺寸也变得越来越小。这种缩小趋势增加了由于保留噪声而导致阈值电压电平偏移的可能性。然而，很少访问的数据的完整性仍然需要保证。

群联的 SmartRefresh™ 技术

为了保护SSD中存储的数据，Phison开发了一项专有技术，称为智能刷新™ 使用两种主要方法：

1. 1. 动态错误位监控 (DEBM)
  2. 读取重试

随着工艺尺寸的缩小，NAND闪存的固有可靠性成为一个问题。纠错码（ECC）能力已成为NAND闪存行业最关键的话题之一。不幸的是，无论使用哪种ECC算法，其纠错能力都必然存在理论上的限制。如果在ECC引擎被触发之前能够减少或避免错误，则ECC引擎无法恢复用户数据的可能性就会降低。动态错误位监控 (DEBM) 是一种用于在发生任何数据损坏之前检查数据健康状态的机制。

群联的嵌入式固件在后台运行，检查每个块的错误位。一旦在我们的固件设置的标准内出现块故障（即错误位数超过预先确定的阈值），固件就会对该故障块执行特定操作，以保证用户数据的完整性。

读取重试

从有问题的 NAND 块中获取正确数据的另一种方法是选择不同的电压电平来执行数据解释。图 1 说明了 2 位 MLC NAND 闪存的读取操作以及用于解释存储数据的阈值电压 (Vth)。如果当前目标块被识别为有风险，群联的固件会使用适当的电压水平来分析数据。使用此方法检索的数据的可靠性取决于 Vth 的选择。群联专有算法根据 NAND 块的健康评估确定最佳 Vth 值。

空闲时间媒体扫描 (ITMS)

前面提到的方法可以分别被视为预防措施和纠正措施。 SmartRefresh™ 是一种结合了这两种方法的技术，可保护用户数据免受由于 NAND 闪存的物理特性而导致的意外错误。这个机制分为两个阶段。
第一阶段是空闲时间媒体扫描 (ITMS)。当主机进入 IDLE 状态时，ITMS 被触发。一旦ITMS被激活，ITMS被分为许多ITMS周期，并且在每个ITMS周期内扫描多个扇区

ITMS 是一种用于在执行 DEBM 和 Read Retry 操作后检测扫描的块是否健康的机制。如果任何块被识别为不健康块，则对不健康块内的有效数据进行适当处理以避免数据丢失。由于 ITMS 利用主机进入 IDLE 模式的持续时间来检查存储数据的健康状态，因此只要主机向驱动器发送命令，ITMS 就会被中断。在这种情况下，ITMS 将停止，并且下一个 ITMS 周期将从上一个 ITMS 周期中尚未检查的地址启动。