我們用擴展的香農(nóng)的理論分析存儲，這時候我們就發(fā)現(xiàn)其科學道理很清楚了：什么是可靠的存儲？讀出的信息完全復現(xiàn)寫入的信息，但是它是經(jīng)過一個信道，這個信道不是跨越空間的信道，而是跨越時間的信道。如果我們把通訊理論向時間軸上拓展，它就變成存儲的理論。
對于存儲介質(zhì)的基本要求是時間穩(wěn)態(tài)，要在時間上保持，但是時間信道是有噪聲的，我們刻在石頭上、寫在竹簡上、刻在光盤上的東西會有時間信道的噪聲，會隨著時間的老化而磨損、受損，這些都是屬于時間信道的噪聲。
我們今天講閃存，閃存的存儲原理是電荷要保持時間穩(wěn)態(tài)，把電子拉到浮柵里面它就是“0”，沒有電荷的時候就是“1”。如今，閃存的容量越來越大，這就是為什么閃存會逐漸取代硬盤。
閃存現(xiàn)在基本上采用三條技術(shù)路線，一個是減小線寬，第二是單元多bit，第三是3D堆疊，這幾個因素對可靠性帶來的影響是什么？
線寬變窄了每個單元就變小了，單元電荷就變少了，電荷少了泄露后對電位的影響就特別大。窄了以后干擾也大，隧道氧化層變薄。用一個單元存多個bit，圖上藍色的是TPC的比率，它會越來越多，如此其讀、寫、擦出的時間都變長，變得越來越不可靠。3D堆疊可以減緩線寬，但是會產(chǎn)生層間的干擾，這也是一個問題。
如今越來越不可靠的閃存介質(zhì)，時間信道的噪聲越來越大，如此，我們怎么用越來越不可靠的介質(zhì)構(gòu)建一個可靠的系統(tǒng)？這就是今天的主題。
在香農(nóng)的理論框架下，首先要想辦法減少噪聲，如果一個信道完全沒有噪聲，寫進去讀出來就是完全一樣的。但是現(xiàn)在噪聲越來越大，所以我們第一點是要盡量降低時間信道的噪聲，如果降到不能再降了還有噪聲就要用有效的編碼來保證可靠性。
有了理論框架這個問題就不是很復雜了。
第一降低信道噪聲。
第二采用編碼。
通訊的信號隨著距離的增加而衰減，信噪比增加。降低噪聲采用的措施是中繼和放大，我們分析一下，閃存介質(zhì)是一個不簡單又不優(yōu)美的介質(zhì)，電荷泄露要考慮的因素很復雜，所以很多情況下就要分析和處理的情況太多，很復雜。
當然，這也為各廠家顯示技術(shù)實力提供了舞臺，同樣的介質(zhì)不同的廠家的固態(tài)盤產(chǎn)品會有較大的差別，路遙知馬力，后期的性能、鋪靠性、壽命有很大的差別。
時間信道的噪聲是閃存不可靠的來源。
第一是工藝缺陷，第二是電荷泄露，最重要的就是擦寫磨損，P/E是最需要注意的，還有讀寫的干擾。?磨損均衡，最好的效果是均衡地讓每一塊壽命都耗盡，直至徹底失效，第二是減小寫放大，第三是減小位間和層間干擾，第四是用Chorge Trap（電荷捕獲）代替金屬浮柵，減少泄露。
降低信道噪聲更細致的技術(shù)，第一考察塊之間的不均衡性，強塊和弱塊區(qū)別對待，進一步挖掘介質(zhì)潛力，挖掘空間分布的潛力。
第二是全生命周期管理，不同的階段不同對待，剛開始的錯誤很少，后面磨損的比較厲害了就需要加強，剛才是挖掘空間的潛力，現(xiàn)在是挖掘時間的潛力。
第三減少讀干擾和編程干擾的新方法。
第四用編程誤碼率作為均衡指標，反映更真實的磨損狀態(tài)。
第五通過新的FLT減小寫放大。
第六為位置感知重分布。
我們對3D閃存芯片內(nèi)部差異性進行了研究，發(fā)現(xiàn)差別是很大的，研究成果發(fā)表在sigmetrics雜志上。錯誤模式的研究，研究變成干擾、讀干擾、寫錯誤，用合適的pattern進行寫入也可以減少磨損。這些細節(jié)大家可以看我們的論文。
第一是降低噪聲。
二是采用更好的糾錯編碼。現(xiàn)在的LDPC有很多改進，我們這里做了一些研究，我們設(shè)計了一個編碼，它可以使碼源錯誤降低30%，還有自適應(yīng)能力，針對剛開始錯誤比較少的時候和后期錯誤比較多的時候，采用不同能力的糾錯編碼。
我下面還要介紹一下我們一個新的研究，叫耗散結(jié)構(gòu)——動態(tài)超可靠系統(tǒng)。什么意思？心跳平均每分鐘跳70次，一天跳10萬次，一年跳3650萬次，70年跳26億次，但是世界上沒有任何一種材料可以經(jīng)得起26億次的疲勞測試。
但心臟為什么可以？
心肌并不是高可靠材料，關(guān)鍵在于它是一種耗散結(jié)構(gòu)，就是說它有物質(zhì)能量不斷的進入，保持一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。細胞工作一段時間就新陳代謝了，它永遠是很健康的。
它可以新陳代謝，但是總體結(jié)構(gòu)不變，這是一種動態(tài)的超可靠系統(tǒng)，如果我們把這個思想用到存儲系統(tǒng)上，就是不可靠不要緊，但是有進有出，就可以保持穩(wěn)定，這是上帝的智慧，或者是大自然的智慧。
耗散存儲系統(tǒng)的基本思想，就是快不行的時候把它傳譯一下，簡單的說是這樣的，但是我們還要把科學道理講清楚，把理論建立起來，我們系統(tǒng)的研究了一下?；舅枷胧窃诖鎯卧磳⑹е?，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到新的存儲單元，使數(shù)據(jù)總是在健康的介質(zhì)中保存。對數(shù)據(jù)而言，其保存它的介質(zhì)實現(xiàn)了新陳代謝，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲的超可靠性。
這與糾錯的概念有本質(zhì)的不同，糾錯碼和盤鎮(zhèn)技術(shù)都是存儲單元壞了，數(shù)據(jù)丟了以后，通過編碼糾錯，算出正確的數(shù)據(jù)，然后再恢復。而且恢復的時間比較長。對時間使用長的系統(tǒng)，大部分數(shù)據(jù)都是老化狀態(tài)了，這時候就比較危險，像磁陣列這樣，平均壽命是5年，都快到5年了快幾個盤的概率大大上升，所以新系統(tǒng)和老系統(tǒng)在前期和后期的危險性是非常不一樣的。
耗散性系統(tǒng)有哪些關(guān)鍵性技術(shù)？
第一準確預測存儲單元什么時候失效。以前測不準，測早了時間沒有到，浪費了資源，晚了數(shù)據(jù)就丟了。存儲單元的顆粒有bit、Byte、word、page、block、die、chip、Drive、note，其中Block和Drive適合用這種方法。
判斷的標準是基于當前比較熱的機器學習，我們也做了一個工作，通過深度學習算法訓練，這是我們對3D閃存的預測，橫坐標是P/E，縱坐標是保持的時間。我們預測的準確率初步的超過了92%，預測負載準確率超過98%，我們的研究還有很大的空間。
如果通過介質(zhì)預測什么時候壞，通過負載預測什么時候進行轉(zhuǎn)移，通過這兩個預測就可以知道介質(zhì)什么時候壞。預測準了，我們設(shè)計了一個預警轉(zhuǎn)移技術(shù)，這是工作區(qū)域，把新盤放到這里，假如我預測它一個星期以后要壞，我可以有一個星期的時間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，預測以后我就把數(shù)據(jù)遷移到新盤中，一旦遷移完了我就告訴它這個盤的任務(wù)完成了，就到旁邊的池子里，完全淘汰了。
淘汰以后就把新盤拔下來放進去，這樣就形成新陳代謝，保證非常好的可靠性。這樣就更加沒有性能降級的說法了，不需要恢復數(shù)據(jù)，整體保持在健康的狀態(tài)下。這非常適合用于數(shù)據(jù)中心，免維護的，一旦進入淘汰池了換掉就完了，而且新介質(zhì)的速度、可靠性比老盤要高，不斷得用新盤換舊盤，系統(tǒng)和容量都產(chǎn)生了凈化，所以我們叫可凈化的耗材存儲技術(shù)，這個技術(shù)以后可以用機器人來實現(xiàn)，實現(xiàn)了超高的可靠性，這些都是理論，我們需要和廣大的企業(yè)合作，把它用到實踐當中。
總結(jié)一下，閃存芯片隨著工藝制程、單元多bit、3D堆疊技術(shù)的進步，容量的迅速提高，但可靠性越來越差。如何用不可靠的芯片來構(gòu)建可靠的系統(tǒng)，是每一個系統(tǒng)設(shè)計者必須面對的問題。在香農(nóng)的理論框架下，主要是通過降低時間通道的噪聲和采用更強的糾錯編碼進行。建立耗散存儲系統(tǒng)超可靠體系框架，使存儲數(shù)據(jù)實現(xiàn)新陳代謝，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的超高可靠。（本文根據(jù)武漢光電國家研究中心教授謝長生教授，在2018全球存儲半導體大會暨全球閃存技術(shù)峰會的主題演講，整理而成。未經(jīng)過本人審閱。）
