NAND闪存错误缓解技术综述

NAND闪存以其高存储密度、高速、低功耗等优点被广泛应用于数据存储。三维堆叠闪存技术的出现和多值存储技术的发展进一步提高了密度,降低了存储成本,同时也带来了更加严重的可靠性问题。闪存主控厂商一直采用更强大的纠错码(ECC),如BCH和LDPC码来对闪存中的数据错误进行纠正。但当NAND闪存中的错误数超出ECC纠错能力时,错误将无法被纠正,因此研究人员提出了多种基于NAND闪存的错误缓解技术作为ECC的补充方案。本文介绍了NAND闪存的工作原理和错误模式,对最新的错误缓解技术进行综述,为设计更加可靠的存储解决方案提供了有益参考。     

RS(63,45)编译码器的设计与FPGA实现

里德-索罗门(RS)编码是一类具有很强纠错能力的多进制BCH编码,它不但可以纠正随机错误,也能纠正突发错误。首先介绍了伽罗华域加法器和乘法器的设计,然后详细地阐述了RS(63,45)编译码器各模块的设计原理。对编译码器各模块先用Matlab进行设计,验证设计的正确性,再对译码器模块进行纠错性能测试。时序仿真结果表明,该译码器能实现最大的纠错能力。设计的编译码器能运用到实际的无线通信系统中去。     

基于QC-LDPC码的空间CCD图像NAND闪存存储纠错

为了提高空间CCD相机图像NAND闪存存储可靠性,提出一种基于QC-LDPC码的NAND闪存纠错算法。首先,分析了NAND闪存纠错信道模型;然后,根据闪存特点提出了一种基于QC-LPDC(1056,1024)码的NAND闪存纠错算法,为了加快编码效率提出了校验矩阵构造和高效编码方法,设计的校验阵均是0和1,只有移位和加法运算,非常适合硬件实现;最后,使用地面检测设备对闪存纠错算法进行了试验验证。结果表明,闪存纠错算法能快速稳定、可靠地工作,计算复杂度比较低,算法复杂度仅具为O(N);算法纠错能力高,误码比(BER)为10-6时,本文算法比RS码多0.47dB编码增益;使用65nm CMOS单元库,系统工作频率为250MHz时解码器数据吞吐率达到7.2Gbps;低误码平层,在误比特率为10-8时未出现误码平层。本文的NAND闪存纠错算法满足了空间相机图像存储系统的应用。     

SSD的现状及发展前景

半导体硬盘SSD(固态硬盘)由NAND闪存、NAND控制器以及用作缓冲存储器的DRAM所构成(见图1)。在SSD中,坏块管理、纠错编码(ECC)及单元调整等处理都由NAND控制器的闪存转换层(FTL)来执行。SSD的性能不仅取决于NAND闪存的性能,而且在很大程度上还会受到NAND控制器算法的影响。因此,在优化NAND控制器的设计时,需要考虑到NAND闪存的特性。本文将基于NAND闪存的器件技术及电路技术,以NAND控制器技术为中心,论述SSD技术的现状和今后的挑战等。     

基于FPGA的RS(255,239)编译码器

编码是一种具有较强纠错能力的多进制BCH编码,其既可纠正随机错误,又可纠正突发错误。RS编译码器广泛应用于通信和存储系统,为解决高速存储器中数据可靠性的问题,文中提出了RS编码的实现方法,并对编码进行了时序仿真。仿真结果表明,该译码器可实现良好的纠错功能。     

BCH编译码器新型算法结构的FPGA设计与实现

针对目前常用的NAND FLASH芯片校验纠错的需要,完成了(4224,4120,8)BCH高速编译码器的电路设计与实现。引入中国剩余定理完成了编码器算法结构的设计,使编码器最高工作频率可达482.16MHz。实现了一种新型的双译码算法结构,使译码器在进行单位错的求解过程中减少约450个时钟周期。采用有限域固定因子乘法器和伴随式矩阵运算等电路设计优化方案,使译码器最高工作频率可达167.42MHz。编译码器通过了Modelsim 10.0的功能验证,基于Altera公司的Stratix Ⅲ系列芯片,在Quartus Ⅱ 12.0上完成了电路仿真与实现。     

一种纠错32位BCH码的硬件实现

针对NANDFlash因制造工艺不断提高而导致其内部数据区随机错误不断增加的现象,传统的8bit,16bit BCH编译码器已难以满足广大客户的需求,现提出了一种新型BCH编译码器结构,所设计的(8640,8192)编码译码器可以在单页数据(1024B)的基础上纠错32bit数据,并在译码电路中,在编码输入电路,伴随式模块与chien搜索模块采取并行算法处理,大大提高了数据的处理速度。     

闪存市场新格局

在过去的9个月里,闪存市场可谓翻天覆地的变化.受到消费电子产品持续需求的影响,一直苦苦追赶的NAND闪存终于在2005年第1季度盈利首次超过NOR闪存,此后一直保持优势至今.而就在此前不久,Apple爆料:新型的iPod将采用容量高达1GB的NAND闪存代替HDD.甚至,Apple很快将会采用4GB的NAND闪存代替同样容量的HDD,用于iPod迷你MP3播放器.一时之间,NAND闪存风生水起,而同属闪存一分子的NOR偃旗息鼓,有点风光不再.     

一种卷积码的VITERBI译码的实现

本文采用ＱＵＡＬＣＯＭ公司的Ｑ１６５０多码率ＶＩＴＥＲＢＩ译码器,设计了前向纠错编／译码器,对提高误码的纠错能力有一定参考价值。     

多通道NAND闪存控制器的硬件实现

本文提出了在一款片上系统(SOC)芯片设计中的多通道NAND闪存控制器实现方案。在对NAND闪存控制器的结构和实现方法的研究上,闪存控制器利用带两个16K字节缓冲器的高效率缓冲管理控制器来管理4个通道,每个通道可以连接4片闪存芯片。控制器内嵌16比特BCH纠错模块,支持AMBAAHB总线与MLC闪存。文中还介绍了行地址计算与快闪存储器存储单元的初始化。结果分析里给出了控制器的仿真波形、功耗分析和综合结果。在一个存储组与一个通道的配置条件下,控制器的实现只需要71K逻辑门。     

Soft-Decision Error Correction of NAND Flash Memory with a Turbo Product Code

As NAND flash memory fabrication technology scales down to 20 nm and below, the raw bit error rate increases very rapidly and conventional hard-decision based error correction does not provide enough protection. The turbo product code (TPC) based error correction with multi-precision output from NAND flash memory is promising because of high error-correcting performance and flexibility in code construction. In this work, we construct a rate-0.907 (36116, 32768) extended TPC for 2-bit MLC NAND flash memory, and apply the Chase–Pyndiah decoding algorithm. An efficient complexity reduction scheme is also proposed to eliminate redundant computations in the Chase–Pyndiah decoding algorithm. The replica parallel decoding is also employed to lower the error floor. The experimental results that include the effects of flash memory output precision are presented for a simulated flash memory channel.     

适于空间图像闪存阵列的非与闪存控制器

提出一种适于空间应用的非与(NAND,not and)闪存控制器。首先,分析了空间相机存储图像的要求,说明了闪存控制器结构的特点。接着,分析了闪存数据存储差错的机理,针对闪存结构组织特点提出了一种基于BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem,2108,2048,5)码的闪存纠错算法。然后,对传统BCH编码器进行了改进,提出了一种8bit并行蝶形阵列处理机制。最后,使用地面检测设备对闪存控制器进行了试验验证。结果表明,闪存控制器能快速稳定、可靠地工作,在闪存单页2Kbt/page下可以纠正40bit错误,在相机正常工作行频为2.5kHz下拍摄图像时4级流水线闪存连续写入速度达到133Mbit/s,可以满足空间相机图像存储系统的应用。     

3D NAND闪存数据保持力与初始状态依赖性研究

数据保持力是NAND闪存重要的可靠性指标,本文基于用户在使用模式下,通过设计测试方法,研究了电荷捕获型3D NAND闪存初始阈值电压-2V至3V的范围内数据保持力特性.结果表明初始状态为编程态时,可以有效降低NAND闪存高温数据保留后的误码率,特别是随着擦写次数的增加,不同初始状态下电荷捕获型3D NAND闪存数据保持力差异更加明显,结论表明闪存最适宜存放的状态为0-1V,电荷捕获型3D NAND闪存器件应避免长期处于深擦除状态.并基于不同初始状态闪存高温数据保留后的数据保持力特性不同的现象进行了建模和演示,通过设计实验验证,机理解释模型符合实验结果.该研究可为电荷捕获型3D NAND闪存器件的长期存放状态提供理论参考.     

6G移动网络中闪存系统的性能优化方案:比特重映射

第6代移动通信技术(6G)网络所产生的海量数据对数据存储带来了全新挑战,推动着存储技术的迅猛发展。与非门(NAND)闪存存储器具有读写速度快,可靠性高等优点,故在6G网络中具有广泛的应用前景。为了提高NAND闪存的可靠性,针对两种不同位线结构的错误特性,该文分别提出基于全位线结构的等精度重映射方案和基于奇偶位线结构的不等精度的重映射方案。仿真结果表明,两种新型比特重映射方案有效提升了闪存的误码性能。基于此,该文所提重映射技术可被视作6G网络中可靠而高效的存储优化技术。     

Enhanced Low Complex Double Error Correction Coding with Crosstalk Avoidance for Reliable On-Chip Interconnection Link

As the technology scales down, shrinking geometry and layout dimension, on- chip interconnects are exposed to different noise sources such as crosstalk coupling, supply voltage fluctuation and temperature variation that cause random and burst errors. These errors affect the reliability of the on-chip interconnects. Hence, error correction codes integrated with noise reduction techniques are incorporated to make the on-chip interconnects robust against errors. The proposed error correction code uses triplication error correction scheme as crosstalk avoidance code (CAC) and a parity bit is added to it to enhance the error correction capability. The proposed error correction code corrects all the error patterns of one bit error, two bit errors. The proposed code also corrects 7 out of 10 possible three bit error patterns and detects burst errors of three. Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) system is employed when burst errors of three occurs. The performance of the proposed codec is evaluated for residual flit error rate, codec area, power, delay, average flit latency and link energy consumption. The proposed codec achieves four magnitude order of low residual flit error rate and link energy minimization of over 53 % compared to other existing error correction schemes. Besides the low residual flit error rate, and link energy minimization, the proposed codec also achieves up to 4.2 % less area and up to 6 % less codec power consumption compared to other error correction codes. The less codec area, codec power consumption, low link energy and low residual flit error rate make the proposed code appropriate for on chip interconnection link.     

针对固态硬盘应用的多通道闪存控制器实现

本文介绍一种基于MLC闪存和AHB总线的高速大容量数据控制系统的硬件实现方法,所提出的闪存控制器实现带8个8K字节缓冲器的高效率缓冲管理控制器来管理8个通道,每个通道可以连接8个闪存芯片。文中还介绍了快闪存储器存储单元的空白检查和交叉存取操作。实验结果证明该固态盘控制器的最高读速度为230．2MB／s,最高写速度为101．9MB／s．最后给出了控制器的综合结果和功耗分析,在24比特BCH纠错与一个通道的配置条件下,控制器的实现需要315K逻辑门。     

Novel Co-Design of NAND Flash Memory and NAND Flash Controller Circuits for Sub-30 nm Low-Power High-Speed Solid-State Drives (SSD)

As the cell size of the NAND flash memory has been scaled down by 40%–50% per year and the memory capacity has been doubling every year, a solid-state drive (SSD) that uses NAND as mass storage for personal computers and enterprise servers is attracting much attention. To realize a low-power high-speed SSD, the co-design of NAND flash memory and NAND controller circuits is essential. In this paper, three new circuit technologies, the selective bit-line precharge scheme, the advanced source-line program, and the intelligent interleaving, are proposed. In the selective bit-line precharge scheme, an unnecessary bit-line precharge is removed during the verify-read and consequently the current consumption decreases by 23%. In the advanced source-line program scheme, a hierarchical source-line structure is adopted. The load capacitance during the program pulse is reduced by 90% without a die size overhead. As a result, the current consumption is reduced by 48%. Finally, with the intelligent interleaving, a current peak is suppressed and a high-speed parallel write operation of the NAND flash memories is achieved. By using these three technologies, both the NAND flash memory and the NAND controller circuits are best optimized. At the sub-30 nm generation, the current consumption of the NAND flash memory decreases by 60% and the SSD speed improves by 150% without a cost penalty or circuit noise.      

基于FPGA和NAND Flash的存储器ECC设计与实现

针对以NAND Flash为存储介质的高速大容量固态存储器,在存储功能实现的过程中可能出现的错“位”现象,在存储器的核心控制芯片,即Xilinx公司Virtex-4系列FPGA XC4VLX80中,设计和实现了用于对存储数据进行纠错的ECC算法模块。在数据存入和读出过程中,分别对其进行ECC编码,通过对两次生成的校验码比较,对发生错误的数据位进行定位和纠正,纠错能力为1 bit/4 kB。ECC算法具有纠错能力强、占用资源少、运行速度快等优点。该设计已应用于某星载存储系统中,为存储系统的可靠性提供了保证。     

并行BCH伴随式计算电路的优化

随着通信系统的速率越来越高,对BCH译码器吞吐量的要求也不断提高。由于BCH码是串行的处理数据,在吞吐量大的应用时一般需要并行处理,但这会导致电路的复杂度显著增加。本文主要研究并行伴随式计算电路的优化。通过合并输入端的常量乘法器,得到改进的并行伴随式结构。该结构克服了传统方法只能对局部的乘法器进行优化的缺点,可以对全部乘法器进行优化,从而有效的减少逻辑资源。实验结果表明,对于并行度为64的BCH(2040,1952)译码器,本文的优化结构可以节省67%的逻辑资源,而且在并行度、纠错能力和码长变化时,仍然可以获得较好的优化结果。