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閃存的讀取中的數(shù)據(jù)隨機(jī)化及其他

2023-09-26 23:27:24 98825 78

上一篇介紹到為了保持閃存的源極電壓為0、或者保證源極電壓在寫(xiě)入和讀取時(shí)不變,NOR和NAND都會(huì)有一些設(shè)計(jì)或者操作上的變化來(lái)解決這一問(wèn)題。在NAND閃存上,另一個(gè)比較特殊的需求就是NAND中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)需要做隨機(jī)化處理。這一定程度上也和NAND存儲(chǔ)單元源極電壓的歸一性相關(guān)。


如圖所示,假設(shè)有4個(gè)NAND串,最下方三行的編程、擦除狀態(tài)如下:



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在用戶(hù)讀取最上方一行的存儲(chǔ)單元時(shí),這些存儲(chǔ)單元的源極電壓狀態(tài)會(huì)各不相同,其中第一個(gè)串的源極電壓與第二個(gè)串的源極電壓之間的差異最大,這和它們下面的存儲(chǔ)單元的編程狀態(tài)相關(guān)。在遙遠(yuǎn)的SLC時(shí)代,這一差異尚不足以對(duì)數(shù)據(jù)讀取造成偏差,所以幾乎沒(méi)有閃存供應(yīng)商要求用戶(hù)數(shù)據(jù)做隨機(jī)化。但隨著MLC的到來(lái),這一需求就變得十分強(qiáng)烈 -- 哪怕少許的源極電壓歸一化,都會(huì)對(duì)MLC的性能、可靠性帶來(lái)巨大的幫助。因此幾乎所有的NAND閃存廠(chǎng)商都開(kāi)始要求用戶(hù)在存儲(chǔ)單元里均勻地寫(xiě)入不同編程態(tài)的數(shù)據(jù)。這樣做的好處是,任何一個(gè)被讀的閃存單元,決定其源極電壓的其他單元所提供的影響是相同的 (其實(shí)對(duì)漏端的影響也是如此)。


以MLC為例,由于有E/P1/P2/P3四個(gè)狀態(tài),因此NAND閃存廠(chǎng)商希望寫(xiě)進(jìn)MLC的數(shù)據(jù),這4個(gè)狀態(tài)能夠各占25%。另外不僅僅占比相同,且位置分布也是均勻的。NAND閃存的塊可以看成是一個(gè)二維平面,X軸是頁(yè)(page)方向,Y軸是串(String)方向。在這個(gè)二維平面上,各個(gè)狀態(tài)的存儲(chǔ)單元均勻地分布著,且各占25%。TLC也是如此,它和MLC的差異就是在這個(gè)平面上有8個(gè)不同的編程狀態(tài)均勻地分布著,且各占12.5%。


NAND閃存的使用,離不開(kāi)控制器的支持。當(dāng)最初幾代需要做數(shù)據(jù)隨機(jī)化處理的NAND閃存面市時(shí),市面上的閃存控制器、尤其是已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn)的閃存控制器還沒(méi)有能力支持這種隨機(jī)化需求。因此,這幾代NAND閃存,都自帶了內(nèi)置的Randomizor。這些Randomizor的作用是將控制器寫(xiě)入閃存的數(shù)據(jù)先做隨機(jī)化處理 -- 實(shí)際就是和一些Random Key做異或 -- 再寫(xiě)入存儲(chǔ)單元。


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這些Random Key本身是隨機(jī)的,因此哪怕用戶(hù)數(shù)據(jù)不夠隨機(jī),和Random Key異或之后也能得到一個(gè)隨機(jī)的結(jié)果。


在讀出時(shí),閃存需要將存儲(chǔ)單元里的數(shù)據(jù)和這些Random Key再做一次異或,就能得到原始數(shù)據(jù)。



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但閃存內(nèi)置的Randomizor也造成了不少壞處,比如:

1) 閃存的讀寫(xiě)延遲變長(zhǎng)了。尤其對(duì)讀來(lái)說(shuō),幾個(gè)微秒的Randomization延遲,對(duì)性能傷害頗大。

2) 控制器如果不知道閃存內(nèi)部的Random Key的具體數(shù)值,就不會(huì)知道寫(xiě)入閃存的數(shù)據(jù)究竟應(yīng)該落在哪個(gè)Vt分布上。這對(duì)使用BCH編碼做誤碼糾錯(cuò)的NAND閃存而言,還可以忍受。但對(duì)LDPC,或其他依賴(lài)閃存Vt做DSP的控制器來(lái)說(shuō),則不能接受。


因此在最初幾代NAND閃存內(nèi)置Randomizor之后,所有的NAND都要求控制器具有Randomization的能力 -- 控制器對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)先做隨機(jī)化處理,再做LDPC編碼,之后寫(xiě)入NAND閃存。



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讀取就是將這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái),不多贅述。


當(dāng)然因?yàn)镽andom Key和閃存的物理結(jié)構(gòu)相關(guān),因此每家NAND閃存供應(yīng)商還是會(huì)提供一組合適的Random Key,給到與他們合作的控制器廠(chǎng)商??刂破鲝S(chǎng)商所需要做的事情就是讓他們的控制器設(shè)計(jì)得足夠靈活,以匹配不同NAND原廠(chǎng)的不同代際的產(chǎn)品。


閃存數(shù)據(jù)隨機(jī)化還有其他很多好處,等將來(lái)有機(jī)會(huì)在再作討論。


說(shuō)了很多閃存源極電壓在讀取時(shí)如何保持穩(wěn)定。由于閃存單元是一個(gè)四端器件,因此另外三端:漏極、柵極和襯底,在讀的時(shí)候一樣要保持穩(wěn)定。


用NOR閃存的柵極作一個(gè)例子:它的穩(wěn)定不在于柵極電壓本身的穩(wěn)定度,而在于柵極電壓多快能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。NOR閃存的柵極(Word Line,字線(xiàn))一般是多晶硅,其電阻率比3D NAND閃存的金屬字線(xiàn)要大很多。且由于NOR閃存的讀取延時(shí)(tR)很短,一般在100納秒以?xún)?nèi),因此要求NOR閃存的柵極電壓能夠在小幾十納秒之內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。這對(duì)于SLC的NOR閃存而言問(wèn)題不大。但對(duì)于MLC NOR閃存則相對(duì)困難。和NAND閃存不同,NAND閃存一個(gè)存儲(chǔ)單元里面的不同bit隸屬于不同的頁(yè)(參見(jiàn)“閃存閾值電壓(Vt)的編碼與用戶(hù)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)”),但NOR閃存因其編程是熱電子效應(yīng),每個(gè)存儲(chǔ)單元的編程功耗太大,所以為了一次存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù),MLC NOR閃存的存儲(chǔ)單元里的兩個(gè)存儲(chǔ)單元隸屬于同一個(gè)頁(yè)。



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因此MLC NAND的數(shù)據(jù)最多需要通過(guò)兩次Vt比較得出(參見(jiàn)“閃存閾值電壓(Vt)的編碼”),而MLC NOR的數(shù)據(jù)則每回讀出都要比較三次Vt。所以MLC NOR對(duì)柵極電壓爬升速度的要求非常高。曾經(jīng)有一些NOR閃存利用額外的金屬層,在金屬層和柵極字線(xiàn)之間打孔連接,以降低多晶硅柵極的RC值,達(dá)到提升tR性能的目的。


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