一种基于标记层的3DNAND型闪存块粒度阈值电压分布感知方法

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一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法
技术领域
1.本发明属于闪存介质的存储系统，具体地，涉及一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法。

背景技术：

2.目前市面上主流的3d闪存中一个块由若干层堆叠而成，闪存内部电路通过向胞元注入电荷实现非易失性存储。电荷被注入胞元后会在其上形成阈值电压，注入的电荷数越多，形成的阈值电压值越高，编程过程即通过向胞元注入适量电荷使其阈值电压升到存储信息对应的状态，不同的阈值电压状态对应着不同的存储信息，以目前广泛使用的3比特/胞元(triple-level cell，tlc)闪存为例，其胞可被设置为er，a，
……
，g共八种状态，用于实现3比特的信息存储。在读取过程中，闪存内部电路通过读参考电压判断出胞元的阈值电压，进而识别出其被编程到的状态(即获取了该状态对应的3比特信息)。当施加在胞元上的读参考电压小于其阈值电压时，该胞元不导通，反之，当施加在胞元上的读参考电压大于其阈值电压时，胞元导通，其中使该胞元恰好导通的临界读参考电压即被闪存电路识别为该胞元的阈值电压。需要声明的是，由于制程差异，即便是在编程刚刚结束的时刻，被编程到相同状态胞元的阈值电压同样存在差异，体现在一定区间范围内的分布，称为阈值电压分布，如图1所示，是一款3d tlc型闪存芯片阈值电压与存储的3比特信息的对应关系。例如，若某胞元需要存储的信息是“101”，则其在编程过程中，闪存内部电路会通过向其中注入电荷使其处于“c”状态，在读取过程中，闪存内部电路首先识别出该胞元的阈值电压范围处于[vc,vd]，进而识别出c状态对应的3比特信息“101”。
[0003]
在理想状态下，胞元在数据存储周期中捕获的电荷数量不变，意味着胞元的阈值电压也不变化。在实际情况中，驻留损失等可靠性应力会导致胞元捕获的电荷数量发生变动，进而导致胞元的阈值电压发生变化，宏观上则会导致状态的阈值电压分布发生漂移。具体来说，若胞元在数据存储的过程中泄露电荷，进而导致阈值电压分布超过了原本状态窗的左边界，则会下偏错误，这些胞元会在读取操作中被识别为原本状态窗的左邻状态，反之，若胞元在数据存储的过程中被注入电荷，则会产生上偏错误并被识别为原本状态窗的右邻状态。
[0004]
由上述可知，存储在闪存介质中的数据会发生错误，随着闪存集成工艺的推进，存储密度的提升代价是存储可靠性的恶化，因而目前主流的闪存设备制造商均会在闪存主控中配备合适的可靠性管理方案，获取块粒度的阈值电压分布是诸多闪存可靠性管理方案的核心环节，以优化读参考电压的应用为例。目前的主流3d闪存工艺支持修改读参考电压，以优化后的电压进行读取操作。如图2所示，若用默认的读参考电压(v
default
)进行读取会产生较多的误码，而以优化后的读参考电压(v
opt
)进行读取则可以显著的降低误码。现有的方法为了获取块粒度的优化参考电压，常需要对整个块进行多轮读取操作并获取块粒度的阈值电压分布，而这往往带来了较长的读取延时和管理开销，在诸如读取密集型存储场景中对
系统性能带来较大负担，因而，如何快速精确地获取块粒度的阈值电压分布是诸多闪存可靠性管理方案面临的重要挑战。

技术实现要素：

[0005]
基于以上问题，本发明提出了一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法，首先在数据存储的初期离线获取块中的标记层，并将其记录到存储元数据区域，在数据存储的周期中，可以通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布，并进而得到优化读参考电压等基于阈值电压分布的可靠性管理参数。
[0006]
本发明通过以下技术方案实现：
[0007]
一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法：
[0008]
所述方法具体包括以下步骤：
[0009]
步骤一：首先在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；
[0010]
步骤二：在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布；
[0011]
步骤三：根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压。
[0012]
在步骤一中具体包括以下步骤：
[0013]
步骤1.1、写入数据并施加驻留损失应力，以让存储数据越过早期不稳定的快速驻留损失阶段，并表现出长期驻留损失错误模式；
[0014]
步骤1.2、逐层获取目标对相邻状态的分布；
[0015]
步骤1.3、获取整个块的目标对相邻状态的分布，并除以层数得到归一化的块粒度分布；
[0016]
步骤1.4、逐层计算层粒度分布与归一化块粒度分布间的均方根误差rmse；
[0017]
步骤1.5、检索步骤1.4中所得的rmse序列中的最小值，将其对应的层编号记录为目标对相邻状态的标记层；
[0018]
步骤1.6、将步骤1.5中所得的标记层序号记录到闪存的元数据区域，供后期数据存储周期内调用。
[0019]
进一步地，在步骤一中，
[0020]
设需要获取的相邻状态对分别时x状态和y状态，
[0021]
对于编号为i的层，x状态和y状态的的分布分别是f
xi
(ν)，和f
yi
(ν)，
[0022]
对于整个块，x状态和y状态的的分布分别是g
xi
(v)，和g
yi
(v)，
[0023]
则对实际分布除以层数进行归一化后得到块粒度分布。
[0024]
用均方根误差度量某一层与块间的分布差异，计算公式为：
[0025][0026]
其中n是x和y状态的采样点数；
[0027]
标记层即满足rmse取最小值的层，对于相邻的x状态和y状态，标记层的分布与整个块的归一化分布最为接近。
[0028]
进一步地，在步骤二中，
[0029]
在执行两轮步骤1.6后，利用标记层预测的块粒度优化读参考电压进行读取，减少误码位数。
[0030]
一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知装置：
[0031]
所述装置包括：离线模块在线模块和电压管理模块
[0032]
离线模块、用于在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；
[0033]
在线模块、用于在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布；
[0034]
电压管理模块、用于根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压。
[0035]
进一步地，所述离线模块还包括：
[0036]
数据写入模块、用于写入数据并施加驻留损失应力，以让存储数据越过早期不稳定的快速驻留损失阶段，并表现出长期驻留损失错误模式；
[0037]
状态获取模块、用于逐层获取目标对相邻状态的分布；
[0038]
归一化处理模块、用于获取整个块的目标对相邻状态的分布，并除以层数得到归一化的块粒度分布；
[0039]
均方根误差计算模块、逐层计算层粒度分布与归一化块粒度分布间的均方根误差rmse；
[0040]
检索模块、用于检索均方根误差计算模块所得的rmse序列中的最小值，将其对应的层编号记录为目标对相邻状态的标记层；
[0041]
记录模块、用于将检索模块中所得的标记层序号记录到闪存的元数据区域，供后期数据存储周期内调用。
[0042]
进一步地，设需要获取的相邻状态对分别时x状态和y状态，
[0043]
对于编号为i的层，x状态和y状态的的分布分别是f
xi
(ν)，和f
yi
(ν)，
[0044]
对于整个块，x状态和y状态的的分布分别是g
xi
(v)，和g
yi
(v)，
[0045]
则对实际分布除以层数进行归一化后得到块粒度分布。
[0046]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0047]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0048]
本发明有益效果
[0049]
本发明对闪存层间阈值电压分布差异的深入表征，通过提出的标记层方法，可显著减少获取块粒度阈值电压分布的管理开销，提升读取性能；
[0050]
本发明不需要占用过多额外的存储开销，仅需要在元数据区记录闪存块的标记层物理地址；
[0051]
本发明采用均方根误差度量层与块(归一化)的阈值电压分布差异，并将具有最小均方根误差度量的层选作为标记层；采用基于标记层的方法，快速感知块粒度的阈值电压分布；并且能够快速获取块粒度的优化读参考电压，在线实现了块粒度优化读参考电压的快速感知，可适配于现有的诸多基于读参考电压优化的闪存可靠性管理策略。
附图说明
[0052]
图1为现有的3d tlc型nand闪存的阈值电压分布示意图；
[0053]
图2为通过修改相邻状态间的读参考电压以减少读取数据误码率；
[0054]
图3为一对相邻状态的标记层示意图，其中(a)为所有层和整个块的分布图，(b)为标记层、对比层和整个块的分布图；
[0055]
图4为获取一对目标相邻状态标记层的流程图；
[0056]
图5为两个驻留情况下逐层通过rmse度量的层分布与块分布(归一化)间的偏差；
[0057]
图6为两个驻留情况下块(归一化)、标记层、对比层的阈值电压分布对比，其中(a)为4个月，(b)为6个月；
[0058]
图7为通过标记层获取的优化参考电压实现了降低错误位数的效果。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
闪存整个块的阈值电压分布是各层分布的平均效果，目前主流的3d nand闪存通常具有非常密集的堆叠层数，且制程差异主要体现在层间，层内作为一个物理上的整体具有相似的分布，因而有可能其中的某一层具有和整个块非常相似的分布。如图3(a)所示，蓝线是各层的分布，红线是整个块的分布(通过除以层数进归一化)，可以看到尽管各层间分布呈现出一定差异，但这种差异的连续性使得某一层的分布非常接近所有层的分布的平均效果，即归一化的块分布。
[0061]
上述这种层分布的差异性在数据驻留期间是持续的，这归因于数据驻留期间稳定的制程差异，例如，分布均值偏移较大的层在整个数据存储期间均有较大的偏移，分布方差较大的层在整个数据驻留期间同样表现出相对更大的方差。
[0062]
结合图1至图7，本发明提出了一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法：
[0063]
所述方法具体包括以下步骤：
[0064]
步骤一：首先在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；
[0065]
步骤二：在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布；
[0066]
步骤三：根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压等基于阈值电压分布的可靠性管理参数。
[0067]
在步骤一中具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1.1、写入数据并施加一定量的驻留损失应力，以让存储数据越过早期不稳定的快速驻留损失阶段，并表现出长期驻留损失错误模式；
[0069]
步骤1.2、逐层获取目标对相邻状态的分布；
[0070]
步骤1.3、获取整个块的目标对相邻状态的分布，并除以层数得到归一化的块粒度
分布；
[0071]
步骤1.4、逐层计算层粒度分布与归一化块粒度分布间的均方根误差rmse；
[0072]
步骤1.5、检索步骤1.4中所得的rmse序列中的最小值，将其对应的层编号记录为目标对相邻状态的标记层；
[0073]
步骤1.6、将步骤1.5中所得的标记层序号记录到闪存的元数据区域，供后期数据存储周期内调用。
[0074]
所述离线获取块中各相邻状态对的标记层的具体方法为：
[0075]
设需要获取的相邻状态对分别时x状态和y状态，
[0076]
对于编号为i的层，x状态和y状态的的分布分别是f
xi
(ν)，和f
yi
(ν)，
[0077]
对于整个块，x状态和y状态的的分布分别是g
xi
(v)，和g
yi
(v)，
[0078]
则对实际分布除以层数进行归一化后得到块粒度分布。
[0079]
用均方根误差(root mean squared error，rmse)度量某一层与块间的分布差异，计算公式为：
[0080][0081]
其中n是x和y状态的采样点数；
[0082]
依据上述对标记层的定义，标记层即满足rmse取最小值的层，对于相邻的x状态和y状态，标记层的分布与整个块的归一化分布最为接近。
[0083]
在步骤二中，
[0084]
在执行两轮步骤1.6后，利用标记层预测的块粒度优化读参考电压进行读取，减少误码位数。
[0085]
一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知装置：
[0086]
所述装置包括：离线模块在线模块和电压管理模块
[0087]
离线模块、用于在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；
[0088]
在线模块、用于在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布；
[0089]
电压管理模块、用于根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压。
[0090]
所述离线模块还包括：
[0091]
读取模块、用于在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；
[0092]
存储模块、用于在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布；
[0093]
电压管理模块、用于根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压等基于阈值电压分布的可靠性管理参数。
[0094]
所述读取模块还包括：
[0095]
数据写入模块、用于写入数据并施加驻留损失应力，以让存储数据越过早期不稳定的快速驻留损失阶段，并表现出长期驻留损失错误模式；
[0096]
状态获取模块、用于逐层获取目标对相邻状态的分布；
[0097]
归一化处理模块、用于获取整个块的目标对相邻状态的分布，并除以层数得到归一化的块粒度分布；
[0098]
均方根误差计算模块、逐层计算层粒度分布与归一化块粒度分布间的均方根误差rmse；
[0099]
检索模块、用于检索均方根误差计算模块所得的rmse序列中的最小值，将其对应的层编号记录为目标对相邻状态的标记层；
[0100]
记录模块、用于将检索模块中所得的标记层序号记录到闪存的元数据区域，供后期数据存储周期内调用。
[0101]
设需要获取的相邻状态对分别时x状态和y状态，
[0102]
对于编号为i的层，x状态和y状态的的分布分别是f
xi
(ν)，和f
yi
(ν)，
[0103]
对于整个块，x状态和y状态的的分布分别是g
xi
(v)，和g
yi
(v)，
[0104]
则对实际分布除以层数进行归一化后得到块粒度分布。
[0105]
实施例：
[0106]
一组获取标记层以及依据标记层获取优化读参考电压提升存储可靠性的试验结果。试验步骤如下：
[0107]
(1)选择一个普通块，执行5000次的写入/擦除操作，以模拟真实存储场景中的闪存芯片的磨损效果；
[0108]
(2)向该块中写入随机数据；
[0109]
(3)将该芯片置于85℃的环境中4小时，以产生等效于常温下2个月的驻留损失；
[0110]
(4)扫描每一层上a-g状态的分布，依据式(1)逐层计算每对相邻状态的rmse，进而获取每对相邻状态的标记层，其中n为64，即对每个状态采了32个样本点；
[0111]
(5)获取标记层中每对相邻状态间的优化读参考电压；
[0112]
(6)分别用默认读参考电压和第(5)步中获取的优化读参考电压读取数据，并获取两种读取情况下的误码率；
[0113]
(7)再将该芯片置于85℃的环境中4小时，以产生等效于常温下2个月的驻留损失，即存储数据共经历了等效于常温下4个月的驻留损失；
[0114]
(8)再次一轮执行步骤(4)-(6)，并获取相应的试验结果。
[0115]
以b状态和c状态这对相邻状态为例，在执行两轮步骤(4)后，图5展示了在两个驻留阶段每个层b状态和c状态分布与整个块归一化分布间的rmse，其他相邻状态对(例如状态e和状态f)具有类似的试验结果，整体上来说，在驻留4个月情况下体现出相对更小rmse的层在驻留8个月的情况下仍体现出相对更小的rmse，说明了层间rmse差异在驻留过程中的稳定性，其中编号为41的层在本次试验中被选用为标记层，并将编号为1的层选用为对比层。
[0116]
更进一步地，依照图3所示的原理，图6是获取的两个驻留阶段的块(归一化)、标记层和对比层的阈值电压分布情况，可以看出，在驻留4个月和驻留8个月的情况下，编号为41的标记层均具有和整个块非常相近的分布，而编号为1的对比层其分布与整个块的分布则相差较大。
[0117]
在执行两轮步骤(6)后，利用标记层预测的块粒度优化读参考电压进行读取，减少
误码位数的效果如图7所示，对于驻留4个月和8个月的阶段，整个块的误码分别降低了83％和81％，说明了基于标记层获取的优化读参考电压可有效提升存储数据的可靠性。
[0118]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0119]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0120]
以上对本发明所提出的一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤一：首先在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；步骤二：在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布；步骤三：根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中具体包括以下步骤：步骤1.1、写入数据并施加驻留损失应力，以让存储数据越过早期不稳定的快速驻留损失阶段，并表现出长期驻留损失错误模式；步骤1.2、逐层获取目标对相邻状态的分布；步骤1.3、获取整个块的目标对相邻状态的分布，并除以层数得到归一化的块粒度分布；步骤1.4、逐层计算层粒度分布与归一化块粒度分布间的均方根误差rmse；步骤1.5、检索步骤1.4中所得的rmse序列中的最小值，将其对应的层编号记录为目标对相邻状态的标记层；步骤1.6、将步骤1.5中所得的标记层序号记录到闪存的元数据区域，供后期数据存储周期内调用。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：在步骤一中，设需要获取的相邻状态对分别时x状态和y状态，对于编号为i的层，x状态和y状态的的分布分别是f
xi
(ν)，和f
yi
(ν)，对于整个块，x状态和y状态的的分布分别是g
xi
(v)，和g
yi
(v)，则对实际分布除以层数进行归一化后得到块粒度分布。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：用均方根误差度量某一层与块间的分布差异，计算公式为：其中n是x和y状态的采样点数；标记层即满足rmse取最小值的层，对于相邻的x状态和y状态，标记层的分布与整个块的归一化分布最为接近。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：在步骤二中，在执行两轮步骤1.6后，利用标记层预测的块粒度优化读参考电压进行读取，减少误码位数。6.一种基于标记层的3d nand型闪存块粒度阈值电压分布感知装置，其特征在于：所述装置包括：离线模块、在线模块和电压管理模块离线模块、用于在数据存储的初期离线获取块粒度中各相邻状态对的标记层，并将其记录到存储元数据区域；在线模块、用于在数据存储的周期中，通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电
压分布；电压管理模块、用于根据块粒度的阈值电压分布得到优化读参考电压。7.根据权利要求6所述装置，其特征在于：所述离线模块还包括：数据写入模块、用于写入数据并施加驻留损失应力，以让存储数据越过早期不稳定的快速驻留损失阶段，并表现出长期驻留损失错误模式；状态获取模块、用于逐层获取目标对相邻状态的分布；归一化处理模块、用于获取整个块的目标对相邻状态的分布，并除以层数得到归一化的块粒度分布；均方根误差计算模块、逐层计算层粒度分布与归一化块粒度分布间的均方根误差rmse；检索模块、用于检索均方根误差计算模块所得的rmse序列中的最小值，将其对应的层编号记录为目标对相邻状态的标记层；记录模块、用于将检索模块中所得的标记层序号记录到闪存的元数据区域，供后期数据存储周期内调用。8.根据权利要求7所述装置，其特征在于：设需要获取的相邻状态对分别时x状态和y状态，对于编号为i的层，x状态和y状态的的分布分别是f
xi
(ν)，和f
yi
(ν)，对于整个块，x状态和y状态的的分布分别是g
xi
(v)，和g
yi
(v)，则对实际分布除以层数进行归一化后得到块粒度分布。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任意一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至5中任意一项所述方法的步骤。

技术总结

本发明提出了一种基于标记层的3DNAND型闪存块粒度阈值电压分布感知方法，首先在数据存储的初期离线获取块中的标记层，并将其记录到存储元数据区域，在数据存储的周期中，可以通过对标记层的感知快速获取块粒度的阈值电压分布，并进而得到优化读参考电压等基于阈值电压分布的可靠性管理参数；本发明通过对闪存阈值电压分布层间差异的深入表征，利用提出的标记层方法，显著减少了获取块粒度阈值电压分布的管理开销，提升了读取性能；实现了块粒度优化读参考电压的快速感知，可适配于现有的诸多基于读参考电压优化的闪存可靠性管理策略。多基于读参考电压优化的闪存可靠性管理策略。多基于读参考电压优化的闪存可靠性管理策略。