异构nand型固态硬盘及提高其性能的方法
【专利摘要】本发明提供一种异构NAND型固态硬盘及提高其性能的方法，该异构NAND型固态硬盘，不仅包含SLC?NAND存储器芯片，也包括MLC?NAND存储器芯片，还可以包含3D堆叠的NAND存储器芯片，从而可以综合各自优点，弥补各自缺点，在应用范围上更加广泛。同时，本发明还提出了一种提高异构NAND型固态硬盘耐久寿命的方法，根据存储器中不同部分的使用情况，对其进行针对性的调整，并可通过对存储器中的存储空间的刷新周期进行定期的更新，从而使得存储器中的不同区域的擦写情况能够较为平均地分布，进而提高存储器的使用寿命，优化器件对数据的保存能力。
【专利说明】异构NAND型固态硬盘及提高其性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种异构NAND型固态硬盘及提高其耐久寿命、数据保持能力的方法。
【背景技术】
[0002]NAND型固态硬盘已经成为目前主流的非易失存储技术，广泛应用于数据中心、个人电脑、手机、智能终端、消费电子等各个领域，而且仍然呈现需求不断增长的局面。NAND型固态硬盘的制造工艺也已经发展到了 16nm,从二维的制造工艺向三维的制造工艺转化。目前，128Gb24个单元堆叠的三维NAND芯片以正式投入商业化生产。而16nml28Gb的新型二维NAND芯片，则使用新型的二维单元结构突破传统二维结构尺寸缩小的限制。
[0003]一般的NAND存储器可以分为单层单元NAND (SLC，single-level cell)和多层单元NAND (MLC，mult1-level cell)。SLC就是一个存储单元存储Ibit数据，其特点是成本高、容量小、速度快，可擦写次数(Endurance)高达10万次，比MLC固态硬盘高10倍，数据保持能力(Retention)可长达10年。MLC就是一个存储单元可以存储多个bit数据，目前可以实现每单元存储2bit和3bit数据,其最大特点就是容量大成本低,但是速度慢,耐久寿命也较低，数据保持能力也会下降。由于每个MLC存储单元中存放的资料较多，结构相对复杂，出错的几率会增加，必须进行更多的错误修正(ECC, Error Correction Code),—些数据保持能力较差的多层单元NAND甚至需要进行周期刷新从而保证数据可靠性，这些动作都会导致其性能大幅落后于结构简单的SLC固态硬盘。NAND固态硬盘的耐久寿命定义为可对其进行最多的编程(Program)和擦除(Erase)操作(P/E cycle)次数。由于工艺和阵列损伤会导致阵列中的错误单元呈现非线性的增加趋势。如图1所示的趋势中，过去曾是主流工艺的单层单元NAND存储器在50nm工艺节点下能够达到10万次擦/除操作，而现在作为主流工艺的每单元2bit的多层单元NAND在20nm工艺节点下只能达到3000次擦/写操作，而更先进的3维制造工艺在同样的工艺节点下只能达到几百次擦/写操作，未来这种情况还会更加严重。为了进行更多的错误修正就需要更多的纠错位数，电路也会更加复杂。SLC和MLC NAND固态硬盘的性能对比如表I所示。根据二者之间性能的差异，SLC和MLC NAND固态硬盘在应用中也差别很大:如果对容量要求不是很大，但对速度和数据安全性要求比较高，一般会采用SLC的NAND固态硬盘，比如服务器中的存储设备、军事领域中；如果对数据可靠性要求不高，但对容量和成本要求较高，那么MLC类型的NAND固态硬盘是首选，例如影音存储设备、优盘等。
【权利要求】
1.一种异构NAND型固态硬盘，其特征在于，包括: 存储逻辑控制器和N级NAND存储器芯片组，所述存储逻辑控制器与每级所述NAND存储器芯片组均连接； 每一级所述NAND存储器芯片组中均包含类型相同且数量至少为I个的NAND芯片； 其中，N为大于I的自然数，且每一级NAND存储器芯片组中的存储单元所能存储的位数均比前一级NAND存储器芯片组中的存储单元所能存储的位数大。
2.如权利要求1所述的异构NAND型固态硬盘，其特征在于，在所述N级NAND存储器芯片组中，第I级所述NAND存储器芯片组中的芯片均为单层单元NAND芯片，所述第N级所述NAND存储器芯片组中的芯片均为3D堆叠NAND存储器芯片，且其余的所述NAND存储器芯片组中的芯片均为多层单元NAND芯片。
3.如权利要求2所述的异构NAND型固态硬盘，其特征在于，所述存储逻辑控制器与第I级所述NAND存储芯片组集成于同一芯片中，以形成一系统级芯片。
4.如权利要求3所述的异构NAND型固态硬盘，其特征在于，所述存储逻辑控制器与第I级所述NAND存储芯片组之间通过并口进行数据的传输。
5.如权利要求4所述的异构NAND型固态硬盘，其特征在于，还包括连通所述存储逻辑控制器与外部的外部接口； 所述外部接口包括SATA、PCI或PCIe中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的异构NAND型固态硬盘，其特征在于，所述第I级NAND存储芯片组的存储单元中的控制栅采用后栅极高电介质金属栅工艺制成。
7.如权利要求6所述的异构NAND型固态硬盘，其特征在于，所述系统级芯片和其他每一级所述NAND存储芯片组均通过若干微焊点连接至一硅基板上； 所述硅基板上设置有若干引脚，每个所述引脚均通过一焊点连接至一封装衬底中，且通过走线形成球栅阵列封装。
8.一种提高异构NAND型固态硬盘耐久寿命的方法,应用于如权利要求1~7中任意一项所述的异构NAND型固态硬盘中，其特征在于，包括: 步骤S1:将每一级所述NAND存储器芯片组划分为若干个擦写单元； 步骤S2:当所述存储逻辑控制器在处于空闲状态时，统计所述异构NAND型固态硬盘中的所有擦写单元在一段预设的时间段内的擦写次数，并进行排序，以获取每个擦写单元的擦写频繁度； 步骤S3:将所有擦写单元的擦写频繁度按照从高到低分为N个等级； 步骤S4:按照擦写频繁度等级，将每个擦写单元中的数据转存至与其擦写频繁度等级相等的该级NAND存储器芯片组中，若某一擦写单元已位于其需要转存数据至的该级NAND存储器芯片组中，则不对该擦写单元中的数据进行转存； 其中，每一级所述NAND存储器芯片组的容量均大于与其级数相等的擦写频繁度所对应的所有擦写单元的总容量。
9.如权利要求8所述的提高异构NAND型固态硬盘耐久寿命的方法，其特征在于，所述预设的时间段由所述存储逻辑控制器进行配置。
10.如权利要求8所述的提高异构NAND型固态硬盘耐久寿命的方法，其特征在于，根据每个擦写单元的最大可擦写次数，对每个擦写单元设定一数值小于该最大可擦写次数的预警擦写次数； 当对擦写单元进行数据转存时，优先转存至相应的所述NAND存储器芯片组中实际擦写次数与预警擦写次数相差最大的擦写单元； 其中，所述实际擦写次数小于所述预警擦写次数。
11.如权利要求8所述的提高异构NAND型固态硬盘耐久寿命的方法，其特征在于，当对擦写单元进行数据转存时，将同一擦写频繁度等级所对应的所有擦写单元按照擦写次数越高越优先将其数据转存至相应级数的NAND存储器芯片组中的规则进行转存； 当相应级数的NAND存储器芯片组中的存储空间已满时，将后续的擦写单元中的数据转存至下一级/几级NAND存储器芯片组中。
12.如权利要求8所述的提高异构NAND型固态硬盘耐久寿命的方法，其特征在于，第I级所述NAND存储器芯片组中存储有最常被调用的固态硬盘热文件。
13.一种提高异构NAND型固态硬盘数据保持能力的方法，应用于如权利要求1~7中任意一项所述的异构NAND型固态硬盘中，其特征在于，包括: 步骤S1:预先根据不同的ECC纠 错位数制定相应的刷新频率； 步骤S2:将所述N级NAND存储器芯片组划分成若干刷新单元； 步骤S3:获取任意一个所述刷新单元的ECC纠错位数，并根据该ECC纠错位数确定相应的刷新频率的值； 步骤S4:根据该刷新频率的值对包含该刷新单元在内的一个存储空间进行周期性的刷新； 其中，当任意两个或多个所述存储空间之间存在部分重合时，将这些存储空间所对应的刷新频率中的最大值对这些存储空间进行周期性的刷新。
14.如权利要求13所述的提高异构NAND型固态硬盘数据保持能力的方法，其特征在于，任意相邻的两段存储空间为连续的存储空间。
15.如权利要求13所述的提高异构NAND型固态硬盘数据保持能力的方法，其特征在于，所述刷新单元的最小单位为页。
16.如权利要求13所述的提高异构NAND型固态硬盘数据保持能力的方法，其特征在于，步骤S3中，当某个刷新单元被进行读操作时，获取该刷新单元的ECC纠错位数。
17.如权利要求16所述的提高异构NAND型固态硬盘数据保持能力的方法，其特征在于，步骤S3中，所述存储逻辑控制器根据预先的配置，在一段时间内对所述刷新单元主动进行读操作。
【文档编号】G11C16/06GK103984509SQ201410258823
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】景蔚亮, 陈邦明 申请人:上海新储集成电路有限公司