武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室謝長(zhǎng)生主任

如今閃存越來(lái)越應(yīng)用到3D上，閃存容量在快速提高，但它的可靠性卻越來(lái)越差，我們?cè)谑褂眠@種芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，希望其在容量提高的同時(shí)確保它的可靠性和性能不下降，這是我從我們研究單位的角度來(lái)說(shuō)的問(wèn)題。我們閃存密度提高，價(jià)格下降，在移動(dòng)存儲(chǔ)稱為主流介質(zhì)，在大容量存儲(chǔ)方面也稱為主流介質(zhì)，我們用3D閃存設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)者反饋說(shuō)我們用新的芯片以后，手機(jī)一段時(shí)間性能就變差了，或是容易死機(jī)，固態(tài)盤的設(shè)計(jì)者也遇到這些問(wèn)題，那我們?cè)趺丛谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，提高容量的同時(shí)讓可靠性不掉線。

以下為嘉賓演講實(shí)錄：

首先我們看看NAND閃存市場(chǎng)的趨勢(shì)，現(xiàn)在閃存大部分用于SSD和手機(jī)，其他的還有一些卡的應(yīng)用，按照現(xiàn)在的市場(chǎng)到2019年的預(yù)測(cè)，可能80%的系統(tǒng)都會(huì)應(yīng)用到閃存或者混合系統(tǒng)。到2017年，超過(guò)50%系統(tǒng)已經(jīng)用3D閃存芯片了，3D閃存已經(jīng)成為主流?，F(xiàn)在提高閃存容量主要有三個(gè)途徑，一個(gè)是降低制程工藝，第二多階存儲(chǔ)，第三是多層堆疊，這個(gè)是我們最主要提高的途徑，以前做到96層就行了，現(xiàn)在新的路線在美國(guó)今年提出的新技術(shù)路線圖目標(biāo)是要做到512層，以后堆疊的技術(shù)可能是芯片提高容量的最主要技術(shù)。

我們用越來(lái)越大的芯片設(shè)計(jì)固態(tài)盤，設(shè)計(jì)手機(jī)，容量大了，但性能和可靠性有所下降，那么魚與熊掌能否兼得，既提高可靠性，性能又不下降？理論上是完全可以解決的，當(dāng)時(shí)科學(xué)家香農(nóng)在1948年發(fā)表的論文奠定了信息論的基礎(chǔ)，實(shí)際上就告訴你通訊不管中間出現(xiàn)什么干擾，最終是有技術(shù)，是可以給你完整無(wú)誤的從這一端傳輸?shù)搅硪欢?。相同的信息理論是解決通信問(wèn)題的，但是我們現(xiàn)在卻把它解決存儲(chǔ)問(wèn)題，這是為什么呢?，F(xiàn)在我們固態(tài)盤用的BCH，其實(shí)就是通訊里用的，1960年提出LDPC現(xiàn)在用于固態(tài)盤設(shè)計(jì)，這些都是通訊中移過(guò)來(lái)的，為什么通訊的理論可以解決存儲(chǔ)問(wèn)題呢，我跟大家交流一下心得。

我是這樣理解的，通訊和存儲(chǔ)都是信息傳遞，只不過(guò)通訊是信息跨越空間的傳遞，而存儲(chǔ)是信息跨越時(shí)間的傳遞，都是信息傳遞。我們看一下，這是時(shí)間軸，這是空間軸，比如說(shuō)老子在2500年前寫的《道德經(jīng)》，我現(xiàn)在讀到了，這個(gè)時(shí)間跨度實(shí)際上2500年，他可能在河南寫的，我在北京讀的，還有個(gè)空間跨度，時(shí)間就是存儲(chǔ)，空間就是通訊。比如我們現(xiàn)在發(fā)電子郵件，假如我從武漢發(fā)到北京，這跨一個(gè)空間，這是通訊，你朋友可能過(guò)一個(gè)小時(shí)才看到這個(gè)郵件，存到某個(gè)地方你才能看到，這就是存儲(chǔ)。所以實(shí)際上信息傳遞都是時(shí)空二維的，只不過(guò)考慮時(shí)間就是存儲(chǔ)，考慮空間就是通訊，這個(gè)理論不光光適合于通訊，也適合于存儲(chǔ)，本質(zhì)上是適合信息傳遞的，只要是信息傳遞這個(gè)理論就可以適用。所以我們只要把通訊理論這個(gè)維度擴(kuò)展到時(shí)間維度上去，就成為存儲(chǔ)的理論，所以我們就可以借用通訊理論的根本原因，就是因?yàn)橥ㄓ嵗碚搶?shí)際上是一個(gè)傳遞的理論，我們把它應(yīng)用到時(shí)間傳遞上，它就可以解決我們的存儲(chǔ)問(wèn)題，這樣我們就能理解為什么我們那么多的理論都可以從通訊中得到。

但是存儲(chǔ)也有它的特點(diǎn)，存儲(chǔ)也一樣，你存進(jìn)去的東西我讀出來(lái)要一模一樣，通訊是空間信道，存儲(chǔ)是時(shí)間信道，存儲(chǔ)介質(zhì)的失效就是噪聲，這樣我們就可以分析整個(gè)的存儲(chǔ)問(wèn)題了。存儲(chǔ)其實(shí)比通訊要復(fù)雜，我們來(lái)看現(xiàn)在這塊閃存是怎么出錯(cuò)的，也就是噪聲是怎么產(chǎn)生的，我們才能分析怎么設(shè)計(jì)更可靠的系統(tǒng)。

閃存單元的出錯(cuò)模式，對(duì)它的分析對(duì)我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常重要的，閃存的噪聲主要是由于電荷存儲(chǔ)，它把電荷封在一個(gè)絕緣體，它如果漏電，漏光了，0就變成1了，就錯(cuò)了，而且對(duì)多階存儲(chǔ)更敏感，你漏一點(diǎn)就會(huì)下降到另一個(gè)臺(tái)階上，漏電對(duì)它的影響特別大，稍微漏一點(diǎn)就錯(cuò)了，這是電荷泄漏是它出錯(cuò)模式的一個(gè)方面。第二個(gè)方面就是擦寫磨損，要全擦了以后才能編程，得出新的數(shù)據(jù)，這樣次數(shù)越多絕緣層就破壞越多，就越容易漏電，漏到一定程度就保存不住了，這個(gè)閃存就壞了。第三是讀寫干擾，讀寫的時(shí)候相鄰的對(duì)它也有影響。還有性能會(huì)下降，我們?yōu)榱私鉀Q這些問(wèn)題，現(xiàn)在發(fā)展了很多閃存技術(shù)，比如我們想使它磨損的均衡一些，我這一塊和那一塊幾萬(wàn)個(gè)地方均勻的磨損，還有數(shù)據(jù)布局、垃圾回收、糾錯(cuò)編碼、健康管理、故障預(yù)測(cè)，很多方法我們都要保證它的可靠性，還有現(xiàn)在用到了一些人工智能的技術(shù)。為了對(duì)3D芯片的出錯(cuò)模式進(jìn)行比較細(xì)致的研究，我們實(shí)驗(yàn)室課題組就專門研究3D閃存，對(duì)它的芯片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的研究，看看到底出錯(cuò)是怎么發(fā)生的。

現(xiàn)在3D閃存主要有兩類，更多的是用電荷捕獲的技術(shù)，這兩種各有各的特點(diǎn)，第一種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)保留性較好，單元間干擾比較小，F(xiàn)G比較差，在以后互相干擾很嚴(yán)重，電荷復(fù)核就比較好，速度和能耗都有一些差別，現(xiàn)在更多的3D閃存是用的電荷捕獲型，我們看看未來(lái)對(duì)3D閃存芯片有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，廠商給的數(shù)據(jù)實(shí)際上就是一些容量、速度這些方面的指標(biāo)，但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候你要知道的東西比這些更多，才能設(shè)計(jì)出來(lái)更好的系統(tǒng)。

我們進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)試以后，發(fā)現(xiàn)3D層和層之間差別比較大，這是因?yàn)楣に噺纳系较掠兴鶇^(qū)別，造成延時(shí)就不一樣，層與層之間變化非常大，所以你設(shè)計(jì)的時(shí)候你要知道你用哪些層快一點(diǎn)，哪些層慢一點(diǎn)。但是在這個(gè)平面我們測(cè)差別就不太大。第二數(shù)據(jù)的耐久性，我們也是測(cè)了很多，一個(gè)是把它寫壞，隨機(jī)的寫，寫壞了以后就停止測(cè)試，我們看到不同的閃存塊壽命是不一樣的，它會(huì)在4000到6000之間波動(dòng)，我們一個(gè)閃存芯片有些塊是壽命長(zhǎng)一些，有些是壽命短一些。不同的塊隨著擦寫次數(shù)的增多，不同的塊之間是有差別的，但是在這個(gè)平面上差別就不大。3D是多層的，引入了一個(gè)新的層間的干擾希望，上層和相鄰的層對(duì)它的干擾是最大的，你看豎的層面上對(duì)它有20%的干擾，下面對(duì)它有30%的干擾，豎的方向干擾是比較大的，水平方面就小得多，所以有位置相關(guān)性。還有讀的干擾，我們也對(duì)芯片進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。

還有電流捕獲型的，和2D也有一些變化，這些變化就造成它性能上會(huì)改變。我們看看3D閃存出來(lái)以后它和2D有什么不同，最主要的不同就是層與層之間有不一致性，有些很明顯，而且層結(jié)的串?dāng)_和持久性耐久性問(wèn)題更為嚴(yán)重，還有頁(yè)數(shù)量和頁(yè)尺寸變大，垃圾回收之類的就有一些問(wèn)題。我們做了很多研究，除了大家已知的技術(shù)，我們還探索了新的技術(shù)，我舉幾個(gè)例子，剛才說(shuō)3D芯片出現(xiàn)以后和2D相比有一些不一樣的地方，它的塊和頁(yè)容量變大，我們?cè)趺磧?yōu)化呢，就用了一個(gè)紙分頁(yè)，還有磨損均衡，以前磨損均衡都是根據(jù)已經(jīng)使它的可擦寫次數(shù)比較均勻，但是我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)并不是非常好的磨損性的指標(biāo)，我們現(xiàn)在提出來(lái)以編程的錯(cuò)誤率作為它的測(cè)率，這樣能更好的發(fā)揮介質(zhì)的作用。

假如你均勻看待，有的塊壽命長(zhǎng)，有的塊壽命短，我們現(xiàn)在以編程錯(cuò)誤率來(lái)看就可以發(fā)揮不同的壽命塊的潛力，使我們整個(gè)系統(tǒng)壽命更長(zhǎng)。還有垃圾可回收、還有內(nèi)部RAID構(gòu)建，還有新的錯(cuò)誤感知，這樣更好的來(lái)糾錯(cuò)，我們發(fā)展了一些新的方式來(lái)保證可靠性。我們也發(fā)表了一些文章，在現(xiàn)有大家熟知的技術(shù)上我們發(fā)展了一些新的技術(shù)，用這些技術(shù)就可以使你采用更新的3D閃存芯片，你設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性可以得到更好的保障，它的壽命也會(huì)更長(zhǎng)，這樣你的產(chǎn)品就和別人有區(qū)別，性能大家都差不多，但是用了一段時(shí)間，你就發(fā)現(xiàn)我們可以設(shè)計(jì)出一個(gè)更有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，別人同樣用這個(gè)芯片，我們新盤的時(shí)間都差不多，或者手機(jī)都用同樣芯片，但是你用了一年之后，你設(shè)計(jì)上面有新的考慮以后，你的壽命比別人長(zhǎng)，性能又比別人好，你就可以具有優(yōu)勢(shì)，我們做了這些研究工作，也希望廠商們我們一起合作，可以設(shè)計(jì)下一代芯片的時(shí)候，能夠設(shè)計(jì)出更好更可靠的產(chǎn)品，使我們?cè)谑袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶得先機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)有一些企業(yè)和我們合作，我們也歡迎用閃存做產(chǎn)品的公司，我們一起來(lái)探討。

崔歡歡