多電平閃存信道下閾值電壓高效檢測算法

范正勤，韓國軍

廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510000

隨著半導(dǎo)體制程工藝的進一步縮小、多電平存儲技術(shù)的使用，存儲單元成本大幅下降，NAND固態(tài)數(shù)據(jù)存儲已廣泛應(yīng)用于各種消費類電子產(chǎn)品及部分?jǐn)?shù)據(jù)中心。對于NAND閃存器件，存儲密度提升的同時，存儲單元受到的噪聲干擾進一步加劇，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲可靠性降低[1]。一般數(shù)據(jù)存儲誤碼率要求必須低于10-15。相較于使用硬判決譯碼方法的Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)糾錯碼，低密度奇偶校驗（low-density parity-check,LDPC）糾錯碼使用軟判決譯碼方法，能極大地降低誤碼率[2]。多種噪聲引起閾值電壓偏移而產(chǎn)生誤讀數(shù)據(jù)，單元間干擾[3]和持久性噪聲[4]是制約NAND閃存數(shù)據(jù)存儲可靠性的主要噪聲。目前，為了補償噪聲對閾值電壓的影響，閃存采用重讀機制[5-8]。動態(tài)優(yōu)化讀參考電壓[7-11]以適應(yīng)閾值電壓的偏移，采用優(yōu)化的讀參考電壓可以獲得最低的原始誤碼率，從而達到改善存儲可靠性的目的。在讀電壓檢測范圍內(nèi)，Cai等[7]提出等間隔降低讀參考電壓操作，該方案可以降低閾值電壓檢測的范圍。

針對閾值電壓檢測時讀操作帶來的時延問題，通過對重疊區(qū)的原始誤碼率分析，本文提出了非均勻迭代更新讀電壓優(yōu)化方案，該方案有效地降低了讀操作的次數(shù)。

1 閾值電壓檢測

1.1 系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)閃存系統(tǒng)模型如圖1所示，數(shù)據(jù)經(jīng)過LDPC編碼后通過編程和擦除操作寫入閃存單元；經(jīng)過信道噪聲干擾后（單元間干擾和持久性噪聲），單元閾值電壓產(chǎn)生偏移造成數(shù)據(jù)誤讀，需要進行信道檢測優(yōu)化；讀操作得到單元對應(yīng)的對數(shù)似然比信息，再通過LDPC譯碼算法進行糾錯處理[1-2,12]。

圖1 系統(tǒng)模型

1）擦除操作：數(shù)據(jù)寫入單元前必須要先擦除。擦除狀態(tài)的閾值電壓服從高斯分布。擦除狀態(tài)的閾值電壓概率密度函數(shù)如下：

式中μe和σe分別表示擦除狀態(tài)的均值和方差。

2）編程操作：ISPP技術(shù)應(yīng)用于寫入數(shù)據(jù)。擦除狀態(tài)的閾值電壓服從均勻分布。第k個編程狀態(tài)的閾值電壓概率密度函數(shù)如下：

3）單元間干擾（cell-to-cell interference, CCI）：相鄰單元間干擾是由于寄生電容耦合效應(yīng)引起的，會使閾值電壓向右偏移。

4）持久性噪聲（retention noise）：持久性噪聲是由于氧化層電荷泄露引起的，會使閾值電壓向左偏移。持久性噪聲服從高斯分布，概率密度函數(shù)建模如下：

式中：x0，At，Bt， αi和 αo都是常數(shù)；T表示持久性噪聲時間；p表示編程擦除次數(shù)。

1.2 讀電壓優(yōu)化

對于MLC型NAND閃存，每個單元寫入2 bit信息，閾值電壓被劃分為4種存儲狀態(tài)（11,10,00,01）。如圖2所示，Ⅰ表示經(jīng)過編程和擦除操作后的閾值電壓分布，進行數(shù)據(jù)寫操作；Ⅱ表示經(jīng)過單元間干擾，單元間干擾使閾值電壓向右偏移，根據(jù)文獻[3]進行對數(shù)似然比（log-likelihood-ratio, LLR）計算；Ⅲ表示經(jīng)過持久性噪聲，持久性噪聲使閾值電壓向左偏移，因此在電壓重疊區(qū)上，傳統(tǒng)的固定讀參考電壓Vread會引起數(shù)據(jù)誤讀。為了克服噪聲對信道的影響，通過動態(tài)調(diào)整讀參考電壓進行補償。最后，通過最優(yōu)讀參考電壓Vopt讀取單元閾值電壓對應(yīng)的LLR值，再通過LDPC譯碼算法進行解碼。

圖2 讀電壓優(yōu)化

1.3 read-retry機制

當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時，重讀（read-retry）機制產(chǎn)生的全部時延[7]為：

為了彌補噪聲對信道的影響，選取低時延的ROR讀電壓優(yōu)化技術(shù)[7]，即原始誤碼率最低點作為優(yōu)化讀參考電壓，算法流程如圖3所示。Vs表示每個塊中最后編程頁的 優(yōu)化讀電壓作為閾值電壓檢測的上限。V1和V2表示每一次需要更新的讀參考電壓。ROR技術(shù)需要向左等間隔偏移Δ去搜索最優(yōu)讀參考電壓，直到原始誤碼率開始增加就立即停止檢測，具體步驟如算法1所示。其中，NERR(Vi)表示讀參考電壓為Vi時的原始比特錯誤數(shù)目，算法1全部讀操作次數(shù)為

圖3 重讀機制算法流程

算法1 重讀機制

輸入：信道電壓檢測的上限Vs， 電壓偏移Δ

輸出：優(yōu)化后的讀參考電壓Vopt；

2 優(yōu)化方案

相鄰存儲狀態(tài)重疊區(qū)的原始誤碼率分布情況如圖4所示，Vs和Ve是信道閾值電壓檢測的上下限，Vl和Vr是閾值電壓檢測范圍的三等分點。首先，根據(jù)噪聲特性，電壓重疊區(qū)上原始誤碼率呈凹函數(shù)分布。其次，三分法求凹函數(shù)極值思想應(yīng)用于讀電壓優(yōu)化中，逐步縮小電壓檢測范圍。最后，為進一步減少讀操作次數(shù)，改進三分法，下一次迭代利用上一次迭代原始誤碼率較低的讀電壓，再更新讀參考電壓，則每一次縮小電壓檢測范圍只需要更新一次讀電壓。算法流程圖見圖5，優(yōu)化方案算法2所示。

圖4 原始誤碼率分布情況

算法2 改進的重讀機制

輸入：信道電壓檢測的上限Vs、 下限Ve，最小檢測距離 Δ；

Step1 判斷 |Vs-Ve|是否小于Δ。若是，轉(zhuǎn)Step7；若否，轉(zhuǎn)Step2；

判斷Vmin是 否大于Vmid。若否，轉(zhuǎn)Step5；若是，轉(zhuǎn) Step6；

判斷Vmin是否大于若否，轉(zhuǎn)Step5；若是，轉(zhuǎn) Step6；

Step7 判斷NERR(Vl)是否小于若是，Vopt=Vl；若否，

其中，Step0初始化需要執(zhí)行2次讀操作；Step3表示如果信道閾值電壓檢測范圍縮小為再更新或Step4表示如果信道閾值電壓檢測范圍縮小為再更新或Step5和Step6表示每一次迭代需要執(zhí)行1次讀操作。

3 仿真結(jié)果

基于MATLAB平臺對閃存信道建模仿真，參數(shù)如下：重疊區(qū)上信道檢測范圍

3.1 多噪聲信道下原始誤碼率仿真

圖6、7表示仿真不同的噪聲環(huán)境下，所提出方案的可靠性。在單元間干擾下，圖6表示不同的耦合強度因子s下原始誤碼率（raw bit error rate,RBER）受的影響；在數(shù)據(jù)保持噪聲干擾下，圖7表示不同的持久性噪聲時間T下原始誤碼率受Δ的影響。

仿真結(jié)果顯示：1）信道檢測精度越高，誤碼率越低，數(shù)據(jù)存儲可靠性越高；2）與算法1相比，在相同的檢測精度下，改進的重讀機制有更好的糾錯性能。

圖6 單元間耦合因子s不同時的誤碼率

圖7 持久性時間T不同時的誤碼率

3.2 高精度信道檢測誤碼率比較

信道閾值電壓檢測精度越高，誤碼率越低，糾錯性能越好，檢測精度 Δ =0.01。信道仿真環(huán)境如下：LDPC碼率為0.901 4，采用最小和譯碼算法，最大迭代次數(shù)為30，單元間耦合強度因子為1.4。

圖8是在閃存信道下不同檢測算法的誤碼率比較。仿真結(jié)果顯示：1）相對于傳統(tǒng)方案，采用閾值電壓檢測能有效地提升數(shù)據(jù)存儲的可靠性；2）在高精度檢測下，改進的重讀機制不會有性能損失。

圖8 誤碼率性能比較

3.3 高精度信道檢測時延比較

閾值電壓檢測雖然帶來了糾錯性能的提升，但會產(chǎn)生較大的時延。讀時延與讀操作次數(shù)成正比，讀操作次數(shù)越小，讀時延越低。單元間耦合強度因子為1.4。相對于目前的重讀機制，圖9是在閃存信道中改進重讀機制的時延降低率。

圖9 讀時延性能比較

仿真結(jié)果顯示：1）相對于目前的重讀機制，改進的重讀機制具有更低的時延；2）隨著噪聲的增加，改進的重讀機制具有更高的時延降低率；3）在高精度、大噪聲閃存信道中，改進的重讀機制具有更好的性能。

4 結(jié)論

基于重疊區(qū)錯誤比特的分布特性，本文提出了一種低時延重讀機制優(yōu)化方案。該優(yōu)化機制在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下，可以有效降低讀操作次數(shù)，具有可行性。另一方面來說，閃存控制器需要執(zhí)行較多的比較操作，會產(chǎn)生少量延時，但該操作不會對閃存芯片產(chǎn)生影響。通過上述的理論分析及數(shù)據(jù)仿真，得出以下結(jié)論：1）對比現(xiàn)有的重讀機制，該優(yōu)化方案可以有效地提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性；2）對比現(xiàn)有的重讀機制，該優(yōu)化方案可以降低大量時延；3）在實際應(yīng)用方面，該方案具有一定的可行性。