武漢光電國(guó)家研究中心謝長(zhǎng)生教授

【以下內(nèi)容根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審定】

謝長(zhǎng)生教授 ：因?yàn)榻裉鞎r(shí)間比較緊，我就簡(jiǎn)單講一下我們的研究工作，主要兩個(gè)思路性的東西。具體的工作應(yīng)該是吳非老師領(lǐng)導(dǎo)的閃存團(tuán)隊(duì)做的。

我們知道數(shù)據(jù)爆炸性的增長(zhǎng)這個(gè)已經(jīng)是常識(shí)了，歷史上有很多數(shù)據(jù)的爆發(fā)點(diǎn)，從文本到圖像、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)。

從物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)它將比人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更大，所以它是一個(gè)質(zhì)的轉(zhuǎn)變，從人產(chǎn)生數(shù)據(jù)到物產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這樣會(huì)產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，因?yàn)槲锉热硕啵總€(gè)人用的物很多。這些巨量的數(shù)據(jù)如何保存呢？在古代刻在石頭上，寫在紙上，到現(xiàn)在我們是磁光電，未來可能有量子存儲(chǔ)那還比較遠(yuǎn)。

我現(xiàn)在給一個(gè)定義，當(dāng)一種信息存儲(chǔ)的介質(zhì)承載人類信息50%以上，我們就稱為主流存儲(chǔ)介質(zhì)。目前主流存儲(chǔ)介質(zhì)還是硬盤，超過50%的信息還是存在硬盤上。即將到來的主流存儲(chǔ)介質(zhì)就是閃存，將來超過50%的信息在閃存上。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了很多新型其他的介質(zhì)，但是他們的量是絕對(duì)不會(huì)再看得見的，在這十年之內(nèi)不可能成為我們定義的主流，主流還應(yīng)該是閃存。閃存價(jià)格非常便宜，容量越做越大，所以閃存的主要進(jìn)展就是閃存顆粒的容量越來越大，價(jià)格也越來越便宜，進(jìn)入主流是我們非常容易看得見的事情。

但是閃存芯片現(xiàn)在越做越大特點(diǎn)是什么呢？不可靠，因?yàn)樵讲罹驮讲睿讲罹湍p，所以現(xiàn)在越來越差，容量大到一定程度只有1000次了，存放也差，電荷會(huì)慢慢漏掉。容量越大也越差，但我們用越來越差的顆粒做成一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候又要求是可靠的，我們用不可靠的顆?；蛘咝酒瑏碜龀煽煽康南到y(tǒng)，這樣我們無數(shù)科學(xué)家、工程師做了很多的努力，今天就想把這些努力歸納在一個(gè)理論框架下。

沒有理論指導(dǎo)技術(shù)，今天發(fā)明這個(gè)，明年發(fā)明那個(gè)，大家覺得五花八門，如果把閃存采用的技術(shù)歸在一個(gè)理論框架下，我們就發(fā)現(xiàn)原來做的技術(shù)就是歸納為這個(gè)框架上的兩點(diǎn)，一下子思路就很清晰了，我今天想把這個(gè)思路講清楚。

我們從根本原理上定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性，1948年香龍發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，《通訊的數(shù)學(xué)理論》。他指出了可靠通訊的基礎(chǔ)任務(wù)是在接受端精確的復(fù)現(xiàn)發(fā)送端信息，這個(gè)就是他經(jīng)典的通訊先導(dǎo)模型，是在有噪聲的先導(dǎo)下要保證接受端精確復(fù)現(xiàn)發(fā)送端的信息。我們就要用編碼調(diào)制技術(shù)保證可靠性，這個(gè)是通訊。

存儲(chǔ)的數(shù)學(xué)在哪里呢？有沒有這樣的東西呢？搞存儲(chǔ)的人都發(fā)現(xiàn)，存儲(chǔ)可以借鑒通訊的理論，比如說糾刪碼、壓縮等等，借用通訊的理論。為什么是這樣呢？我這里有一個(gè)理論的解釋，信息的傳遞，我認(rèn)為它是分為跨空間的傳遞和跨時(shí)間的傳遞，通訊就是信息跨空間的傳遞。比如說我們打一個(gè)電話，信息就跨空間。存儲(chǔ)實(shí)際上跨越時(shí)間的傳遞，2500年前老子寫了《道德經(jīng)》通過存儲(chǔ)介質(zhì)傳到我們，跨越了時(shí)間的距離。

基于這個(gè)認(rèn)識(shí)信息傳遞的規(guī)律是相同的，如果你是跨越空間的傳遞，它就是通訊。如果跨越時(shí)間的傳遞，那就是存儲(chǔ)。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，我們就一個(gè)二維的空間，實(shí)際上這個(gè)理論是一個(gè)信息傳遞論，往空間傳遞就是通訊，往時(shí)間傳遞就是存儲(chǔ)。

我們可以把時(shí)空二維的理論寫完整，把這個(gè)理論工作往時(shí)間推一步，我們就可以用了。實(shí)際上很多東西光通訊信息是傳達(dá)不到的，比如說發(fā)微信、短信、郵件，既跨越了空間，實(shí)際上也跨越了時(shí)間。發(fā)一個(gè)信息給你存在手機(jī)上才能看得到，只是通信一下你沒看到就沒了，所以信息傳遞大部分時(shí)間是時(shí)空二維的。如果知道這一點(diǎn)，往下就好講了，我們有一個(gè)理論框架了。

可靠存儲(chǔ)還是那樣，但我們這個(gè)信道是一個(gè)時(shí)間信道?？煽康拇鎯?chǔ)就是讀出的信息是完全復(fù)現(xiàn)了寫入的信息，寫進(jìn)去和讀出來的一樣，那就是可靠。和通訊一樣，信道是有噪聲的，比如說有缺陷、老化、磨損、干擾等等。

現(xiàn)在來看一下閃存，閃存就是把電荷封到絕緣柵里，把它拉進(jìn)來就去零，把它擠出來就是一。幾十個(gè)一擠，它就形成了多閉合的技術(shù)。電荷能保持多久，信息就能保持多久，這個(gè)就是閃存的基本原理。

為什么現(xiàn)在閃存的技術(shù)在提高容量的同時(shí)，成本降低可靠性越來越差？從信息論的角度我們剛剛講的時(shí)間信道的噪聲是越來越大，來看看在相同框架下，存儲(chǔ)可靠性就是兩點(diǎn)：第一個(gè)降低時(shí)間信道的噪聲，第二個(gè)實(shí)在降低不了用有效的編碼保證可靠性。

在這邊做了很多的研究工作，我們從介質(zhì)、設(shè)備、系統(tǒng)方面在國(guó)際一流會(huì)議和雜志發(fā)了一些文章，現(xiàn)在討論一下怎么做。

方法一就是來降低存儲(chǔ)信道的噪聲。

閃存的噪聲大致分為五個(gè)，一個(gè)是工藝缺陷，生產(chǎn)過程中本身就有，這個(gè)是工藝來保證的。第二個(gè)電荷泄露。第三個(gè)有擦寫磨損，閃存的絕緣層差一點(diǎn)，最后擦到存進(jìn)去就漏出來了、壞了，這個(gè)是我們最要注意的特性。第四個(gè)多BT的技術(shù)。第五個(gè)干擾，有毒干擾等等。

這個(gè)我把它歸為噪聲，想辦法減少噪聲。第一個(gè)是靠生產(chǎn)廠來保證的，想一些辦法減少的?？纯撮W存容量的提升，我們有3D堆疊的方法，有單元多位的方法，還有減少尺寸的方法。比如說我們減少了線寬，肯定是干擾也增大了，電荷數(shù)也變少了，氧化層變薄了，帶來一系列的噪聲。

第二個(gè)，很多文章研究從具體的數(shù)量上到底減少的規(guī)律是多少，這個(gè)有詳細(xì)的數(shù)據(jù)，不多講，還有減少以后挨的緊，互相之間的干擾也變大了，還有多值存儲(chǔ)以后閾值電壓變小了。3D堆疊引進(jìn)了新的干擾，這樣還有不一致性，這些都是我們的噪聲。

我們也做了詳細(xì)的測(cè)試和研究，測(cè)試了很多廠家的芯片，得到了整個(gè)生命周期到底是怎么變的，還有空間上不同塊之間的差異，這樣在我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候就可以利用這些特點(diǎn)使可靠性增加。

剛才說的這些干擾都是影響噪聲，這樣就知道采取那么多措施都是為了減少噪聲，這是一類。

減少噪聲常用技術(shù)就是減少干擾，這里常用的技術(shù)，很多研究者建立了模型，我們也做了很多的工作，包括對(duì)誤碼率隨著時(shí)間怎么變化，做了很詳細(xì)的測(cè)試，也發(fā)表了很多分析的文章。

還有數(shù)據(jù)的組織，我們知道FTL層有垃圾回收這方面的技術(shù)，這些實(shí)際上也是歸納為產(chǎn)生噪聲，也就是說產(chǎn)生的主要是越寫越差，盡量減少寫放大。這里分析了來源，寫放大有垃圾回收產(chǎn)生的。我想大家都比較清楚，很快過一下，我們采取了優(yōu)化影射管理方面有一篇文章，優(yōu)化命中率用緩存來替換，最終減少寫入。還有優(yōu)化冷熱數(shù)據(jù)的組織，減少垃圾回收的遷移，這也是減少寫放大。

剛才說想盡了各種各樣的辦法減少了寫放大，但是還有噪聲，或者隨著時(shí)間、擦寫次數(shù)的增加，誤碼率我們不能接受，就必須要有更好的糾刪編碼。

方法二是采用更好的糾錯(cuò)編碼。

目前LDBC碼已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，比BCH碼有更高的糾錯(cuò)能力。各大公司都采用LDBC，它的算法是成熟的，但是怎么樣進(jìn)一步改進(jìn)它呢？目前主要有什么問題呢？它要強(qiáng)糾錯(cuò)的話用軟判決碼，讀延遲會(huì)增大，而且部分好預(yù)測(cè)，你保證了糾錯(cuò)能力以后性能有時(shí)候得不到保證，我們?cè)谶@方面做了很多的研究工作，就做一個(gè)大致的介紹。

有一個(gè)博士后發(fā)了四篇文章，一個(gè)是LDPC軟判決譯碼算法的優(yōu)化，另外一個(gè)是軟判決的采樣方法優(yōu)化，利用編程干擾的錯(cuò)誤特性感知或者用保存的錯(cuò)誤感知把這個(gè)特性利用起來，還有用CT型的閃存感知，利用這些特性最后降低了譯碼的迭代延遲，在采樣上怎么樣優(yōu)化它，這樣就保證了我們?cè)诩m錯(cuò)能力保證情況下盡量提高譯碼速度。這個(gè)是我們做的一些工作，發(fā)表了幾篇文章。

我們對(duì)過長(zhǎng)的糾刪碼采用放大，也采取了一些新的技術(shù)，這些不詳細(xì)介紹，大家如果對(duì)細(xì)節(jié)感興趣大家可以去讀讀文章。

我們?cè)陂W存的RAID上做了一些新的算法，使它能夠可靠性進(jìn)一步增加，而且保證性能。

下面要講一個(gè)新的思路，現(xiàn)在取了一個(gè)名字叫耗散存儲(chǔ)系統(tǒng)。什么叫耗散存儲(chǔ)系統(tǒng)呢？有物質(zhì)進(jìn)來有物質(zhì)出去，保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，這就是耗散結(jié)構(gòu)。這個(gè)香龍框架下的特性是出了錯(cuò)幫助糾過來以保證可靠性，我們磁盤陣列也是等它壞了以后通過把技術(shù)手段信息把恢復(fù)出來。

假如磁盤陣列壞了，靠算把這個(gè)數(shù)據(jù)恢復(fù)，這個(gè)性能就要降級(jí)，而且在恢復(fù)數(shù)據(jù)遷移、恢復(fù)的時(shí)候再壞一個(gè)，數(shù)據(jù)就丟了，所以很危險(xiǎn)。還有一個(gè)，新的介質(zhì)和盤用的時(shí)候都是挺好的，新的時(shí)候糾錯(cuò)能力都是很富裕的，但是用到生命周期后期的時(shí)候，都比較老化的時(shí)候，這時(shí)候出錯(cuò)率其實(shí)是非常容易超過編碼能力的。

打一個(gè)比方，我們一個(gè)公司大家都是年輕人的時(shí)候，大家身體都很健康，這樣累倒的概率很少。假如說一個(gè)公司都是70幾歲的人，大家得病的概率就很大了。存儲(chǔ)系統(tǒng)也是一樣，新的時(shí)候相當(dāng)于全部是年輕人的公司，過了五年以后可能都是七八十歲的人在工作，患病的概率太大了。即使很多大公司采用了3D備份的技術(shù)，但在用到5-6年的時(shí)候是非常有可能同時(shí)壞的，因?yàn)閾?jù)統(tǒng)計(jì)大概30%、40%的盤會(huì)壞，這個(gè)時(shí)候我們要采取一種新的思路。

比如說心臟一輩子可以跳多少億次不壞，并不是說材料特別的好，而是經(jīng)常有新物質(zhì)進(jìn)去舊物質(zhì)出來，它是一個(gè)新陳代謝，但總體還是保持心臟的形態(tài)。如果有新陳代謝在里頭了，這個(gè)就不一樣了，就像這個(gè)公司誰身體不好搞個(gè)健康人來，這樣總是保持公司健康狀況，就是七八十歲人在工作整個(gè)系統(tǒng)可靠性是完全不一樣的，采取這個(gè)思路借鑒生命系統(tǒng)的原理，我們叫耗散的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

我們有不同的力度，可以在塊級(jí)進(jìn)行，也可以在盤級(jí)進(jìn)行，也可以在節(jié)點(diǎn)級(jí)進(jìn)行。我們?cè)谶@里做了很多研究，也拿了國(guó)家自然科學(xué)的基金在研究。這個(gè)問題有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，我們要預(yù)警轉(zhuǎn)移，預(yù)警就是要體檢，健康狀況怎么樣。以前硬盤的時(shí)候不太容易搞準(zhǔn)，在固態(tài)盤的時(shí)候比較容易搞準(zhǔn)，健不健很多指數(shù)可以指出來?，F(xiàn)在用人工智能的方法把語言出來，所以第一步看它什么要壞，數(shù)據(jù)還沒丟，快差不多就告警，就把把這個(gè)數(shù)據(jù)遷移，這個(gè)里頭裝的都是新的單元，一旦轉(zhuǎn)移過去那個(gè)單元就可以替換掉了，就完成了新陳代謝。

這里來預(yù)測(cè)故障可以用人工智能的算法，現(xiàn)在準(zhǔn)確率已經(jīng)90%多了，用這種技術(shù)就可以預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的精度高于90%，實(shí)現(xiàn)了新陳代謝，這個(gè)技術(shù)實(shí)際上在盤這一級(jí)最好實(shí)現(xiàn)的。比如說這里有一個(gè)機(jī)械手在這里全可以插的盤，這個(gè)就不是磁盤陣列，也不是固態(tài)盤陣列，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到另外的時(shí)候，報(bào)警把它拔出來就完了，這個(gè)都可以自動(dòng)維護(hù)。估計(jì)一下這個(gè)系統(tǒng)的可靠性比磁盤陣列要高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

這個(gè)就是我們的思路。

閃存顆粒隨著工藝制程、單元多bit、3D堆疊技術(shù)的進(jìn)步，容量迅速提高，但可靠性越來越差。以不可靠的芯片來構(gòu)建可靠的系統(tǒng)，是每一個(gè)設(shè)計(jì)者必須面臨的問題。在香農(nóng)框架下就是兩點(diǎn)，第一點(diǎn)降低時(shí)間信道的噪聲，第二個(gè)用更強(qiáng)的糾刪碼，一般的技術(shù)都是這樣，剛才講的檢測(cè)健康度，預(yù)警轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)新陳代謝這樣就在香農(nóng)框架之外了，有了這個(gè)技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)超高的可靠性。

像這種局部的技術(shù)有些公司已經(jīng)在用了，但是我們想把新的理論框架建立起來，最后把可靠性具體提高多少量化出來，建立一套耗散存儲(chǔ)系統(tǒng)的新理論，這樣更加進(jìn)一步提高可靠性，這個(gè)是我們的思路?，F(xiàn)在有些工作也發(fā)了一些文章，還需要進(jìn)一步的完善。

結(jié)束語

存顆粒隨著工藝制程、單元多bit、3D堆疊技術(shù)的進(jìn)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的問題。在香農(nóng)理論框架下，主要是通過降低時(shí)間通道的噪聲和采用更強(qiáng)的糾錯(cuò)編碼進(jìn)行，建立耗散存儲(chǔ)系統(tǒng)的超可靠體系架構(gòu)，使存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)新陳代謝，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的超高可靠性。

我的演講到這里結(jié)束，謝謝大家。

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