具有運(yùn)行時(shí)變量raid保護(hù)方案的方法、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器控制器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的制造方法
【專利說明】具有運(yùn)行時(shí)變量RA ID保護(hù)方案的方法、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器控制器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年12月3日提交的臨時(shí)美國專利申請序列號(hào)61/732, 830 (Atty.Docket N0.T5961.P)的優(yōu)先權(quán)，其整體以引用的方式并入在此。
【背景技術(shù)】
[0003]除其他因素外，由于工藝技術(shù)和制造偏差，在固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)的任何管芯中可能存在很多壞的存儲(chǔ)器塊。而且，每個(gè)塊的耐久性不同。在管芯的早期壽命中，塊中的大部分是好的。然而，存在一些初始故障。在大量的管芯壽命期間，發(fā)生隨機(jī)位錯(cuò)誤。最終，在管芯的壽命即將結(jié)束時(shí)，磨損效應(yīng)顯露，在其中錯(cuò)誤率增加。每個(gè)塊都經(jīng)歷這樣的生命周期，雖然潛在地以不同的速率。實(shí)際上，一些塊花費(fèi)很長的時(shí)間經(jīng)歷該生命周期，而其他塊花費(fèi)相比較而言較短的時(shí)間段。然而，為了提供充足的安全裕量，常規(guī)的SSD系統(tǒng)根據(jù)表現(xiàn)最差的塊而被提供。
[0004]閃存中的位可能在被編程之后被錯(cuò)誤地讀取(即，開發(fā)位錯(cuò)誤)。閃存單元(cell)上的電荷水平將由于若干條件(例如，時(shí)間、溫度、對塊中的其他頁的訪問等)而改變。最終，當(dāng)受到影響的單元被讀取，則會(huì)返回錯(cuò)誤的值。閃存制造商基于工藝技術(shù)、單元設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室測試、模擬、操作條件等來規(guī)定針對閃存頁的位錯(cuò)誤的最大數(shù)。通常將位錯(cuò)誤規(guī)范規(guī)定為每M字節(jié)P個(gè)錯(cuò)誤。在一些情況下，控制器制造商負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)滿足或超過規(guī)范的糾錯(cuò)碼(ECC) ο ECC的類型包括Reed Solomon碼、BCH碼和低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼，他們是在數(shù)據(jù)位的塊中糾正位錯(cuò)誤的方法。由閃存制造商規(guī)定的閃存設(shè)備的壽命(以編程/擦除(PE)周期測量)是基于對所規(guī)定的糾錯(cuò)需求的實(shí)現(xiàn)。閃存制造商在閃存頁中提供額外的字節(jié)以容納預(yù)期的ECC位的數(shù)量加上針對諸如例如循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)字段、扇區(qū)號(hào)等的其他元數(shù)據(jù)的少量空間。
[0005]開放NAND閃存接口(ONFI)規(guī)范版本2.3將閃存頁定義為包含數(shù)據(jù)區(qū)域和備用區(qū)域。備用區(qū)域旨在用于保持ECC校驗(yàn)位和元數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)區(qū)域被假定包含扇區(qū)(例如，邏輯塊)數(shù)據(jù)。錯(cuò)誤可能發(fā)生在特定頁的數(shù)據(jù)部分以及在整個(gè)頁中。針對每種類型的錯(cuò)誤，需要不同的ECC代碼和不同的糾錯(cuò)策略。
【附圖說明】
[0006]圖1A是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的物理數(shù)據(jù)組織和邏輯數(shù)據(jù)組織的方面的圖。
[0007]圖1B是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的其中每個(gè)E頁的數(shù)據(jù)部分和ECC部分在物理上分開的F頁的圖。
[0008]圖1C是示出了在給定F頁內(nèi)F頁數(shù)據(jù)部分和F頁ECC部分在尺寸上可變的圖。
[0009]圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的邏輯到物理地址轉(zhuǎn)換映射及其示例性條目。
[0010]圖3示出了顯示針對常規(guī)設(shè)備和方法二者的以及根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的壞塊與編程/擦除周期的百分比的圖。
[0011]圖4是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的塊失效率與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的生命期之間關(guān)系、以及可以變化E頁的ECC部分和數(shù)據(jù)部分以擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的有用生命期的方式的圖。
[0012]圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的塊信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖。
[0013]圖6是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的超塊(S塊)的方框圖。
[0014]圖7示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的超頁(S頁)的另一視圖。
[0015]圖8是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示出了校驗(yàn)頁的生成與存儲(chǔ)的S頁的圖。
[0016]圖9是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的塊失效率與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的生命期之間關(guān)系、以及可以變化校驗(yàn)頁的數(shù)量以擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的有用生命期的方式的圖。
[0017]圖10是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中生成和存儲(chǔ)校驗(yàn)頁的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]圖1A是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的物理數(shù)據(jù)組織和邏輯數(shù)據(jù)組織的方面的圖。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備是SSD。在另一實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備是包括閃存和旋轉(zhuǎn)磁存儲(chǔ)介質(zhì)的混合驅(qū)動(dòng)器。本公開能夠應(yīng)用于SSD和混合實(shí)現(xiàn)二者，但是出于簡單的緣故，參考基于SSD的實(shí)現(xiàn)來對各種實(shí)施例進(jìn)行描述。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，SSD控制器102可以被配置為耦合到如附圖標(biāo)記118處所示的主機(jī)。主機(jī)118可以采用邏輯塊尋址(LBA)方案。盡管LBA的尺寸通常是固定的，但是主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)地改變LBA的尺寸。例如，LBA的尺寸可以隨著接口和接口模式而不同。實(shí)際上，盡管512字節(jié)是最常見的，但4KB的尺寸也正在獲得青睞，還有512+(520、528等)和4K+(4K+8、4K+16等)格式。如其中所示出的，SSD控制器102可以包括或耦合到一個(gè)或多個(gè)頁寄存器104?？刂破?02可以被配置為響應(yīng)于來自主機(jī)118的數(shù)據(jù)訪問命令而對來自閃存設(shè)備的陣列的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程并且讀取。盡管本文的描述涉及閃存，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，存儲(chǔ)器設(shè)備的陣列可以包括其他類型的非易失性存儲(chǔ)器，例如，閃存集成電路、硫系RAM(C-RAM)、相變存儲(chǔ)器(PC-RAM或PRAM)、可編程金屬化單元 RAM (PMC-RAMSPMCm)、Ovonic Unified Memory (OUM)、阻變式 RAM (RRAM)、NAND存儲(chǔ)器(例如，單層單元(SLC)存儲(chǔ)器、多層單元(MLC)存儲(chǔ)器、或其任意組合)、NOR存儲(chǔ)器、EEPR0M、鐵電體存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁阻RAM(MRAM)、其他分立的NVM(非易失性存儲(chǔ)器)芯片、或其任意組合。
[0019]頁寄存器104可以被配置為使控制器102能夠從陣列中讀取數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到陣列。閃存設(shè)備的陣列可以包括一個(gè)或多個(gè)管芯(例如，128管芯)中的多個(gè)閃存設(shè)備。閃存設(shè)備可以包括多個(gè)閃存塊，如圖1A中109處所示。集合在一起的閃存塊的組合可以被稱為超塊或S塊。在一些實(shí)施例中，形成S塊的單獨(dú)的塊可以從一個(gè)或多個(gè)管芯、平面或其他粒度級別中選擇。因此，S塊可以包括組合在一起的、跨過一個(gè)或多個(gè)管芯分布的多個(gè)閃存塊。以這種方式，S塊可以形成閃存管理系統(tǒng)(FMS)在其上操作的單元。在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)與在管芯級不同的粒度來選擇形成S塊的單獨(dú)的塊，例如以下情況:當(dāng)存儲(chǔ)器設(shè)備包括被細(xì)分為諸如平面的結(jié)構(gòu)的管芯(即，塊可以從單獨(dú)的平面中取得)時(shí)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，分配、擦除和垃圾收集可以在S塊級執(zhí)行。在其他實(shí)施例中，F(xiàn)MS可以根據(jù)諸如頁、塊、平面、管芯等的其他邏輯分組來執(zhí)行數(shù)據(jù)操作。
[0020]閃存塊109中的每一個(gè)可以包括多個(gè)諸如閃存頁(F頁)208的物理頁。每一個(gè)F頁208可以是固定尺寸的，例如，16KB。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，F(xiàn)頁208的尺寸可以被定義為用于給定的閃存設(shè)備的編程的最小單元的尺寸。同樣如圖1A所示，每一個(gè)F頁208可以被配置為容納一個(gè)或多個(gè)諸如ECC頁的物理子頁，在下文中被稱為E頁210。本文中所使用的術(shù)語“E頁”指的是被配置為在非易失性存儲(chǔ)器(在其上應(yīng)用了糾錯(cuò)碼)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，E頁210可以形成SSD內(nèi)的物理尋址的基礎(chǔ)，并且可以構(gòu)成閃存讀取數(shù)據(jù)傳送的最小單元。即，每個(gè)E頁210可以被配置為存儲(chǔ)由控制器102可讀取的數(shù)據(jù)的最小量。E頁210可以是預(yù)定的固定尺寸(例如，2KB)，并且確定ECC系統(tǒng)的有效載荷(例如，主機(jī)或其他數(shù)據(jù))的尺寸。然而，物理頁(例如，E頁)的尺寸不必是固定的。在一個(gè)實(shí)施例中，E頁的地址唯一地標(biāo)識(shí)在閃存內(nèi)E頁的位置。例如，E頁的地址可以指定閃存通道、在所標(biāo)識(shí)的閃存通道內(nèi)的特定管芯、在管芯內(nèi)的特定塊、特定F頁、以及最后在所標(biāo)識(shí)的F頁內(nèi)的E頁的起始。
[0021]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每一個(gè)F頁208可以被配置為將一個(gè)或多個(gè)E頁210安置在其邊界內(nèi)。例如，給定16KB寬的F頁208以及每E頁210固定尺寸2KB，八個(gè)E頁210安置在單個(gè)F頁208內(nèi)，如圖1A所示。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在任何事件中，整數(shù)個(gè)E頁，諸如2的冪次個(gè)E頁210 (包括ECC)可以被配置為安置于F頁208。同樣如圖1A所示，每一個(gè)E頁210可以包括數(shù)據(jù)部分114，并且取決于E頁210位于何處也可以包括ECC部分116。ECC部分116可以被配置為存儲(chǔ)被應(yīng)用于E頁210的數(shù)據(jù)部分114中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的ECC。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)部分114和ECC部分116在尺寸上都不需要是固定的。因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，對于給定的E頁尺寸，E頁內(nèi)ECC部分的尺寸與數(shù)據(jù)部分的尺寸之間的比率可以變化。
[0022]E頁、數(shù)據(jù)部分、以及ECC部分不需要根據(jù)圖1A的示例性布局來布置。例如，每個(gè)E頁的數(shù)據(jù)部分和ECC部分可以在物理上分離，這使得在F頁內(nèi)數(shù)據(jù)部分集合在一起而ECC部分集合在一起，如圖1B中所示。在F頁內(nèi)，數(shù)據(jù)部分和ECC部分尺寸可變。實(shí)際上，圖1C示出了 F頁，其構(gòu)成數(shù)據(jù)部分比圖1B中示出的E頁的數(shù)據(jù)部分相對較大。相應(yīng)地，圖1C的F頁的ECC部分比圖1B中示出的E頁的ECC部分在尺寸上相對較小。因此，結(jié)果就是在F頁內(nèi)的聚合中，圖1C的F頁的F頁數(shù)據(jù)部分大于圖1B中示出的F頁的F頁數(shù)據(jù)部分。類似地，在F頁內(nèi)的聚合中，與圖1B中示出的F頁的F頁數(shù)據(jù)部分相比，圖1C的F頁的F頁ECC部分在尺寸上較小。F頁的數(shù)據(jù)部分和ECC部分尺寸可變將被用作在存儲(chǔ)F頁糾錯(cuò)碼中的優(yōu)勢，這在下文中得到充分發(fā)展。在各種實(shí)施例中，E頁、數(shù)據(jù)部分、以及ECC部分的其他布置是可能的，并且本文所公開的尺寸調(diào)節(jié)方法也能夠應(yīng)用于那些實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)頁可以包括僅一個(gè)E頁。
[0023]實(shí)際上，為了在SSD上的物理尋址與由主機(jī)進(jìn)行的邏輯塊尋址之間建立橋梁，引入了邏輯頁(L頁)結(jié)構(gòu)。圖1A和圖2中由附圖標(biāo)記212所指示的L頁可以包括由閃存管理系統(tǒng)所使用的地址轉(zhuǎn)換的最小單元。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每一個(gè)L頁212可以與L頁號(hào)相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)被邏輯地存儲(chǔ)在L頁212中，而L頁212被物理地存儲(chǔ)在SSD上、在E頁210中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，鑒于E頁210是固定尺寸的(整數(shù)的E頁可以安置在F頁內(nèi))，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例由于對要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的壓縮中的可變性，L頁11