談談閃存的一些特點，或者說它作為存儲介質面臨的挑戰。

[[240891]]

閃存塊（Block）具有一定的壽命，不是長生不老的。前面提到，當一個閃存塊接近或者超出其***擦寫次數時，可能導致存儲單元的***性損傷，不能再使用。隨著閃存工藝不斷向前，這個擦寫次數也變得越來越小。

圖1-1 閃存損壞狀態

在閃存當中的存儲單元中，先天就有一些是壞掉的，或者說不穩定的。并且隨著閃存的不斷使用，壞的存儲單元越來越多。所以，用戶寫入到閃存的數據，必須有ECC糾錯碼保護，這樣即使其中的一些比特發生反轉，讀取的時候也能通過ECC糾正過來。一旦出錯的比特超過糾錯能力范圍，數據就丟失，對這樣的閃存塊，我們應該廢棄不再使用。

閃存先天有壞塊，也就是說有出廠壞塊。并且，用戶在使用的時候，也會新添壞塊，所以用戶在使用閃存的時候，必須有壞塊管理機制。

第二個問題是讀干擾（Read Disturb）。什么意思？從閃存讀取原理來看，當你讀取一個閃存頁（Page）的時候，閃存塊當中未被選取的閃存頁控制極都會加一個正電壓，以保證未被選中的MOS管是導通的。這樣問題就來了，頻繁的在一個MOS管控制極加正電壓，就可能導致電子被吸進浮柵極，形成輕微的寫，從而最終導致比特翻轉。但是，這個不是***性損傷，重新擦除閃存塊還能正常使用。注意的是，讀干擾影響的是同一個閃存塊中的其它閃存頁，而非讀取的閃存頁本身。

圖1-2 讀干擾原理

第三個問題是寫干擾（Program Disturb）。除了讀干擾會導致比特翻轉，寫干擾也會導致比特翻轉。還是要回到閃存內部的寫原理上來。

圖1-3 寫干擾原理

我們寫一個閃存頁的時候，數據是0和1混合的。由于對擦除過的閃存塊，其所有的存儲單元初始值就是1，所以寫的時候，只有寫0的時候才真正需要寫。如圖3-48所示，方框里的單元是寫0，需要寫的，圓圈里的單元的代表寫1，并不需要寫操作。我們這里把方框里的單元稱之為Programmed Cells，圓圈里的單元叫Stressed Cells。寫某個閃存頁的時候，我們是在其 WordLine的控制極加一個正電壓(圖3-48是20V)。對于Programmed Cells所在的String，它是接地的；不需要寫的單元所在的String，它是接一正電壓（圖3-48為10V）。這樣最終產生的后果是，Stressed Cell也會被輕微寫。與讀干擾不同的是，寫干擾影響的不僅是同一個閃存塊當中的其它閃存頁，自身閃存頁也受影響。相同的是，都是不期望的輕微寫導致比特翻轉，都非***性損傷，經擦除后，閃存塊還能再次使用。

第四個問題是存儲單元之間的耦合影響（Cell-to-Cell interference）。前面提到，浮柵極閃存存儲電荷的是導體，因此存儲單元之間存在耦合電容，導致存儲單元內的電荷發生意外變化，最終導致數據讀取錯誤；

還有個問題是電荷泄漏。存儲在閃存存儲單元的電荷，如果長期不使用，會發生電荷泄漏。同樣是非***性損傷，擦除后閃存塊還能使用。

上面說的這些，是所有閃存面臨的問題，包括SLC，MLC和TLC，這些問題的處理方法，在后面的FTL章節會進行介紹。不同商家的閃存，不同制成的閃存，以及2D/3D閃存，還有其特有的問題，用戶在使用時需要用固件克服或者緩解這些問題。

壽命

我們大家生活在人間，祖祖輩輩和周圍觀察到的生靈告訴我們一個道理：所有的人和生物都不能像神仙一樣長生不老。其實不只是生物，所有的存儲器件都是有壽命的。

圖1-4 SLC電壓分布（來源：Inside NAND Flash Memory）

我們再來看圖3-49這張0和1的分布圖，橫軸是電壓，縱軸是存儲單元的數量。0的區域表示被寫過的那些單元電壓分布區間，1的區域是被擦過的那些單元電壓分布區間。所以說，如果要正確地讀到數據，0和1這兩個區間要盡量分割清楚，保證它們的主峰有足夠遠的距離。

除了0和1靠近之外，閾值電壓也不能太偏。回憶一下讀數據的原理。

圖1-5 讀操作電壓示例

要讀的單元柵極加 0V電壓，這時擦過的晶體管閾值電壓是-Vt，導通，溝道有電流，Bitline端的傳感器能夠檢測到，讀到“1”。而經過寫的晶體管閾值電壓是+Vt，不導通，溝道電流很小，讀為“0”。隨著擦寫次數的增加，會發生三種故障：

• 擦過的晶體管閾值電壓變大，從-Vt向0V靠近，這樣讀的時候溝道電流變小，傳感器檢測不到，讀出錯。
• 寫過的晶體管閾值電壓變小，從+Vt向0V靠近，有可能會被誤檢測為擦過的狀態。
• 寫過的晶體管閾值電壓變大（如圖3-50，>5V，即使控制極加5V電壓，它也是截止的），有可能在其他的單元讀的時候，把整個Bitline都給關了，一個死蒼蠅害了一鍋粥。

浮柵晶體管對浮柵極下面的絕緣層（Tunnel氧化物）很敏感，該氧化物厚度變薄（制程不斷減小導致的）或者老化（Degradation，擦寫次數多了）對浮柵極里面的電荷影響大。我們之前介紹了Charge Trap晶體管，其實隨著擦寫次數增多，浮柵晶體管的氧化層漸漸老化，產生不少Charge Trap，這些陷阱會吃掉電子。導致寫之后，進入浮柵的電子數量會減少，最終的結局就是0和1兩個區間不斷靠近。

如圖，上面是寫后的閾值電壓，下面是擦除后的閾值電壓，很明顯，擦除后的閾值電壓在擦很多次之后顯著變高。所以，一般擦除之后會做校驗，方法是把所有的Wordline設為0V，再去檢測每個Bitline的電流。如果某個Bitline電流是0，就意味著有個單元的擦除閾值電壓接近0V，導致晶體管關斷。所以這個閃存塊應該標為壞塊。

圖1-6 閾值電壓變化圖（來源：Inside NAND Flash Memory）

了解了閃存壽命的原理之后，我們再來看看固態硬盤設計實踐中怎么解決這個問題。一般有以下方法：

Wear Leveling：通過磨損平衡算法，讓所有的閃存塊均衡擦寫，避免少數閃存塊先掛掉，導致固態硬盤容量下降。

降低寫放大：寫放大越低，固態硬盤的磨損速度越慢。

用更好的糾錯算法：糾錯能力更強，容許的出錯率更高，可以延長使用壽命。談談閃存的一些特點，或者說它作為存儲介質面臨的挑戰。