一种闪存芯片数据读取方法技术

一种闪存芯片数据读取方法，本方法针对数据写入时环境温度与数据读出时环境温度相差大于设定阈值T1的变温场景，当默认读电压读出数据时的误码数大于硬译码可以纠正的极限时，纠错码就无法正确纠正变温效应产生的误码，此时利用预置在固件中的不同情况下的最优读电压温度偏移参数结合当前读写温差计算最优读电压，使用计算得出的最优读电压进行读取，如果纠错码依然无法纠正全部误码，则利用默认读电压和最优读电压读出的数据计算LLR值并启动软译码，提高纠错码的纠错成功概率。本方法以较少的读取次数，找到最优读电压档位，降低变温效应造成的误码数，提升存储器的工作效率和可靠性。可靠性。可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种闪存芯片数据读取方法


[0001]本专利技术涉及一种闪存芯片数据读取方法，属于闪存存储器可靠性及闪存控制器领域。

技术介绍

[0002]在过去的数十年间，计算机技术和互联网快速发展，数据产生的速度和规模均达到了空前的水平，对大容量存储设备的需求不断增长。NAND闪存存储器凭借其高密度、大容量、低功耗和良好的可靠性等特点，成为非易失性存储器市场的主流。
[0003]NAND闪存存储器主要应用在以下两个方面：(1)以NAND为存储介质的固态硬盘(SSD)替代以磁存储为介质的机械硬盘，成为个人电脑和数据中心的存储媒介；(2)用于移动终端设备的eMMC和UFS闪存中，例如手机、平板电脑等。NAND闪存应用设备的多元化，导致使用环境和场景变得十分复杂，比如极端的温度变化环境等，因此对NAND闪存在极端环境下的数据可靠性和闪存控制器的管理算法提出了新的挑战。
[0004]图1给出了电荷俘获型NAND闪存存储单元的主要物理结构。NAND闪存是通过上下两层隔绝氧化层2将电子隔离存储在电荷存储层3中来实现数据的断电存储的。编程时，在控制栅1施加电压，衬底4中的自由电子在外接电场作用下注入存储层以达到写入数据的目的；擦除数据时，在衬底4施加电压，将衬底中的空穴注入存储层以中和电子，完成擦除。
[0005]NAND闪存单元的可编程电压范围是有限的，电荷存储层中电子的数量决定了该存储单元的阈值电压(Vth，Threshold Voltage)大小。图2给出了三级单元(TLC)NAND闪存存储器的阈值电压分布图。将有限的电压范围划分为8个区域，每一个区域代表一种存储状态，使用三位格雷码表示该存储状态所存储的数据，并将其在逻辑上划分为三种页面类型：LSB、CSB、MSB。在读取不同的页面类型数据时，在控制栅上下发的读电压不同，例如读取LSB页面时，需要下发的读电压分别为：V
ref0
和V
ref4
。
[0006]由于三维闪存的多晶硅沟道特性具有温度依赖性，所以当写入数据时的环境温度与读出数据时的环境温度不同时，存储单元阈值电压大小会发生改变，从而会造成阈值电压分布的偏移。而当两个相邻的存储态阈值电压分布发生交叠时，就会产生误码。图3给出了实际测试得到的非变温与变温读取时阈值电压分布的对比图，在低温编程高温读取的情况下，整体阈值电压分布会大量向左偏移。具体测试流程如图4所示，首先对测试选中的block进行擦写循环操作，在T1温度下写入数据后，首先在T1温度读取(非变温)，然后在T2温度下读取(变温)，获得两种场景下的偏移读取数据并作出阈值电压分布图。
[0007]图5给出了变温情况下使用默认读电压读取时，以2KB为一个有效数据长度，变温和非变温场景下各码字错误个数分布的1－CDF图。由图中可以看出，当温差较大时部分码字误码数过大，超过了纠错码的纠错能力，此时需要对读电压进行偏移调整，找到读错误最少的电压档位即为最优读电压，使用最优读电压进行读取操作以降低误码数。作为代价的是，偏移读取的过程会造成较大的读延迟，影响系统的效率。
[0008]低密度奇偶校验码(LDPC，Low Density Parity Check Code)是闪存存储系统中
常用的一种纠错码。在数据写入闪存前，将数据分割成固定长度的信息位并编码形成码字，在读出数据后依据校验位进行译码并纠错。LDPC译码算法的输入并不是读出的比特数据，而是该比特数据对应的LLR值。LLR值的绝对值越大，说明该比特位结果的确信度越高。在闪存存储系统中，LLR为正值说明该比特为
‘0’
的概率大，为负值说明该比特为
‘1’
的概率大。
[0009]图6给出了闪存存储系统中的一种LLR值赋值方法的示意图。其中硬译码是只下发一次默认读电压，读出结果为
‘0’
的比特赋值+7，读出结果为
‘1’
的比特赋值
‑
7；而软译码则是通过下发多个偏移读电压，找到最优读电压的位置，并根据多次读取的结果分配不同粒度的LLR值。由于软译码的LLR值粒度更小，提供的信息更多，因此译码能力更强，同样作为代价的是，延迟更大。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对变温环境下闪存存储器误码数大幅上升的问题，旨在给出一种系统的变温读取方案，以较少的读取次数，找到最优读电压档位，降低变温效应造成的误码数，提升存储器的工作效率和可靠性。
[0011]为了解决所述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种闪存芯片数据读取方法，本方法适用于三维架构的NAND闪存存储器，本方法针对数据写入时环境温度与数据读出时环境温度相差大于设定阈值T1的变温场景，当默认读电压读出数据时的误码数大于硬译码可以纠正的极限时，纠错码就无法正确纠正变温效应产生的误码，此时利用预置在固件中的不同情况下的最优读电压温度偏移参数结合当前读写温差计算最优读电压，使用计算得出的最优读电压进行读取，如果纠错码依然无法纠正全部误码，则利用默认读电压和最优读电压读出的数据计算LLR值并启动软译码，提高纠错码的纠错成功概率。
[0012]进一步的，所述最优读电压的计算方法为：
[0013]V
′
opt
＝V
′
def
+v
temp
*(T
′
read
‑
T
′
prog
)，
[0014]其中V
’
opt
、V
’
def
分别为本次读操作中的最优读电压和默认读电压；T
’
read
和T
’
prog
分别为本次读操作中读取时的环境温度和写入数据时的环境温度，由设备的温度传感器测得；v
temp
为预置在系统固件中的温度偏移参数。
[0015]进一步的，最优读电压温度偏移参数指的是NAND闪存中各读电压的最佳档位随温度的变化大小与读写温差的比值，其计算公式为：
[0016][0017]进一步的，其中v
temp
为最优读电压温度偏移参数，其物理意义是最优读电压的档位随读写温差变化的速度，V
opt
和V
def
分别为最优读电压和默认读电压；T
read
和T
prog
分别为读取数据时的环境温度和写入数据时的环境温度，不同温差下不同读电压的v
temp
的值由实际测试计算得到，并预置于存储系统固件中。
[0018]进一步的，利用默认读电压和最优读电压读出的数据组合计算LLR值的方法为：给默认读电压和最优读电压两次读取结果均为1的比特赋LLR值为
‑
7；两次读取结果均为0的比特赋LLR值为+7；而两次读取结果不同的比特，依据读写温差正负进行赋值：温差为正值时赋LLR值为+4，温差为负值是赋LLR值为
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种闪存芯片数据读取方法，其特征在于：本方法针对数据写入时环境温度与数据读出时环境温度相差大于设定阈值T1的变温场景，当默认读电压读出数据时的误码数大于硬译码可以纠正的极限时，纠错码就无法正确纠正变温效应产生的误码，此时利用预置在固件中的不同情况下的最优读电压温度偏移参数结合当前读写温差计算最优读电压，使用计算得出的最优读电压进行读取，如果纠错码依然无法纠正全部误码，则利用默认读电压和最优读电压读出的数据计算LLR值并启动软译码，提高纠错码的纠错成功概率。2.根据权利要求1所述的闪存芯片数据读取方法，其特征在于：利用预置在固件中的不同情况下的最优读电压温度偏移参数结合当前读写温差计算最优读电压的方法为：V
′
opt
＝V
′
def
+v
temp
*(T
′
read
‑
T
′
prog
)，其中V
′
opt
、V
′
def
分别为本次读操作中的最优读电压和默认读电压；T
′
read
和T
′
prog
分别为本次读操作中读取时的环境温度和写入数据时的环境温度，由设备的温度传感器测得；v
temp
为预置在系统固件中的温度偏移参数。3.根据权利要求1或2所述的闪存芯片数据读取方法，其特征在于：最优读电压温度偏移参数指的是NAND闪存中各读电压的最佳档位随温度的变化与读写温差的比值，其计算公式为：其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰智，郭一帆，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：