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TWI652577B - 資料儲存裝置及非揮發式記憶體操作方法 - Google Patents

資料儲存裝置及非揮發式記憶體操作方法 Download PDF

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TWI652577B
TWI652577B TW106120335A TW106120335A TWI652577B TW I652577 B TWI652577 B TW I652577B TW 106120335 A TW106120335 A TW 106120335A TW 106120335 A TW106120335 A TW 106120335A TW I652577 B TWI652577 B TW I652577B
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Abstract

一種非揮發式記憶體最佳化操作方法。一微控制器配置該非揮發式記憶體儲存一主機要求的寫入數據。根據一第一寫入模式累積的寫入數據量、以及一第二寫入模式累積的寫入數據量，該微控制器穿插以該第一寫入模式以及該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。一存儲單元於該第一寫入模式下儲存的位元數少於該第二寫入模式。

Description

資料儲存裝置及非揮發式記憶體操作方法
本發明係有關於非揮發式記憶體的最佳化操作。
資料儲存裝置所採用的非揮發式記憶體有多種形式-例如，快閃記憶體(flash memory)、磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive RAM)、鐵電隨機存取記憶體(Ferroelectric RAM)、電阻式隨機存取記憶體(Resistive RAM)、自旋轉移力矩隨機存取記憶體(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM)…等，用於長時間資料保存。
以上類型的非揮發式記憶體有其使用年限。例如，快閃記憶體各區塊(block)的抹除(erase)次數有其限制。達抹除上限的區塊不適合再被寫入數據。隨著超出抹除上限的區塊數量增加，快閃記憶體的使用壽命縮短。由於抹除需求取決於快閃記憶體的操作方式，如何最佳化操作非揮發式記憶體繼而延長裝置壽命為本技術領域一項重大課題。
根據本案一種實施方式所實現的一資料儲存裝置具有一非揮發式記憶體以及一微控制器。該微控制器配置該非揮發式記憶體儲存一主機要求的寫入數據。根據一第一寫入模式累積的寫入數據量以及一第二寫入模式累積的寫入數據 量，該微控制器穿插以該第一寫入模式以及該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。一存儲單元於該第一寫入模式下儲存的位元數少於該第二寫入模式。
一種實施方式中，該微控制器是在該第一寫入模式累積的寫入數據量超越一動態臨界標準時，自該第一寫入模式切換至該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。該動態臨界標準是隨著該第二寫入模式累積的寫入數據量變動。
一種實施方式中，該微控制器是於一判斷式為真時，自該第一寫入模式切換至該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。該判斷式為(WCnt#2+N)/M<WCnt#1。WCnt#1為該第一寫入模式累積的寫入數據量。WCnt#2為該第二寫入模式累積的寫入數據量。N以及M為數值，使(WCnt#2+N)/M為上述動態臨界標準。N以及M可相關於該資料儲存裝置的保固需求。
一種實施方式中，該非揮發式記憶體為快閃記憶體。N以及M更相關於該快閃記憶體的區塊總數、以及各區塊的尺寸與抹除次數上限。
根據本案一種實施方式實現的一非揮發式記憶體操作方法包括：配置一非揮發式記憶體儲存一主機要求的寫入數據；以及根據一第一寫入模式累積的寫入數據量以及一第二寫入模式累積的寫入數據量，穿插以該第一寫入模式以及該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。一存儲單元於該第一寫入模式下儲存的位元數少於該第二 寫入模式。
下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明內容。
200‧‧‧資料儲存裝置
202‧‧‧快閃記憶體
204‧‧‧微控制器
206‧‧‧主機
S302…S310‧‧‧步驟
第1A圖與第1B圖分別對應SLC與TLC技術，圖解不同邏輯意義下，相對閘極浮動電子的存儲單元分布概率；第2圖為方塊圖，圖解根據本案一種實施方式所實現的一資料儲存裝置200；第3圖為流程圖，根據本案一種實施方式圖解微控制器204對快閃記憶體202之操作，其中使用了以上判斷式(1)以及(2)決定所配置之區塊採用的儲存技術；以及第4圖為效能圖，其中橫軸為累積的寫入數據量，縱軸為資料儲存裝置200的效能。
以下敘述列舉本發明的多種實施例。以下敘述介紹本發明的基本概念，且並非意圖限制本發明內容。實際發明範圍應依照申請專利範圍界定之。
非揮發式記憶體可以是快閃記憶體(flash memory)、磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive RAM)、鐵電隨機存取記憶體(Ferroelectric RAM)、電阻式記憶體(Resistive RAM，RRAM)、自旋轉移力矩隨機存取記憶體(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM)…等具有長時間資料保存之記憶體裝置。以下特別以快閃記憶體(flash memory)為例進行討論，但 不限定應用於快閃記憶體領域。
現今資料儲存裝置常以快閃記憶體為儲存媒體，常用來實現記憶卡(memory card)、通用序列匯流排閃存裝置(USB flash device)、固態硬碟(SSD)...等產品。另外，有一種應用是採多晶片封裝、將快閃記憶體與其控制器包裝在一起-稱為嵌入式快閃記憶體模組(如eMMC)。
以快閃記憶體為儲存媒體的資料儲存裝置可應用於多種電子裝置中。所述電子裝置包括智慧型手機、穿戴裝置、平板電腦、虛擬實境設備…等。電子裝置的中央處理單元(CPU)可視為操作所述資料儲存裝置的一主機。
快閃記憶體的儲存空間可以區塊(block)為單位做管理。各區塊可配置採用特定形式的儲存方式。例如，一區塊配置單階存儲單元(single level cell，簡稱SLC)，稱為SLC區塊，或者，一區塊配置三階存儲單元(triple level cell，簡稱TLC)，稱為TLC區塊。一個單階存儲單元係對應一個位元的數據。一個三階存儲單元係對應三個位元的數據。同尺寸物理空間，SLC區塊所儲存的數據僅是TLC區塊的三分之一。另外，TLC區塊可操作在TLC模式(例如：TLC寫入模式)或SLC模式(例如：SLC寫入模式)下。當操作在SLC模式下時，TLC區塊可模擬為SLC區塊，即TLC區塊的三階存儲單元僅儲存一個位元的數據(有效數據)。當操作在TLC模式下時，TLC區塊的三階存儲單元儲存三個位元的數據。
第1A圖與第1B圖分別對應SLC與TLC模式，圖解不同邏輯意義下，存儲單元的閘極浮動電子的分布概率圖。如圖 所示，一存儲單元的邏輯定義是依照存儲單元的閘極浮動電子量劃分。單階存儲單元(SLC)的邏輯分界較三階存儲單元(TLC)明確；不僅可靠度較高、寫入速度也較快。三階存儲單元(TLC)則是在儲存容量上有其優勢。然而，單階存儲單元(SLC)有寫入放大(Write amplification)問題。同一筆數據以單階存儲單元(SLC)儲存所佔據的物理空間將遠大於三階存儲單元(TLC)，連帶引發過量抹除需求，縮短快閃記憶體壽命。或是，單階存儲單元(SLC)中的數據在考量記憶體容量的前提下會伺機搬移至三階存儲單元(TLC)儲存(如，垃圾回收garbage collection)，此動作也會引發抹除需求。在考量快閃記憶體生命週期的前提下，如何最佳化區塊所，即區塊儲存資料時應操作在單階存儲單元(SLC)或三階存儲單元(TLC)模式為以下討論重點。
第2圖為方塊圖，圖解根據本案一種實施方式所實現的一資料儲存裝置200。資料儲存裝置200以一快閃記憶體202為儲存媒體，並具有一微控制器204。在該微控制器204的操作下，一主機206得以對該快閃記憶體202進行存取。該微控制器204可載有程式碼且具有執行所述程式碼的運算硬件。該快閃記憶體204之儲存空間如前述以區塊(block)為單位進行管理，可個別操作在SLC或TLC模式下以儲存資料。微控制器204會計數一SLC寫入數據量(以下標號SLC_WCnt)以及一TLC寫入數據量(以下標號TLC_WCnt)。SLC寫入數據量SLC_WCnt計數曾經以SLC模式儲存自主機206所接收的數據量。TLC寫入數據量TLC_WCnt計數曾經以TLC模式儲存自主機206所接收的數據量。微控制器204在配置使用快閃記憶體202提供的儲存空 間時，將上述SLC寫入數據量SLC_WCnt以及TLC寫入數據量TLC_WCnt納入考量，交替或單獨操作在SLC模式或TLC模式。SLC寫入模式下，微控制器204係配置快閃記憶體202之區塊以SLC模式儲存主機206要求寫入的數據。TLC寫入模式下，微控制器204係配置快閃記憶體202之區塊以TLC模式儲存主機206要求寫入的數據。如此一來，SLC的寫入放大所附帶的抹除計數驟增風險將被分散，資料儲存裝置200壽命不受威脅。特別是，資料儲存裝置200於保固期內都可保有一定效能。即使保固期限將屆，資料儲存裝置200仍有餘裕切換到高速且高可靠度的SLC寫入模式。
一種實施方式使用以下判斷式(1)：((TLC_WCnt+N)/M)<SLC_WCnt (1)N與M為正整數。SLC寫入模式儲存數據使得SLC寫入數據量SLC_WCnt增長。當判斷式(1)滿足時，微控制器204將快閃記憶體202不再採用SLC寫入模式儲存數據，而以TLC寫入模式儲存數據。如此一來，快閃記憶體202的區塊僅一小段時間運作於SLC寫入模式下，其餘時間皆運作於TLC寫入模式下，因此，不會陷於SLC寫入模式無法跳脫。各區塊的抹除次數不會因為長時間運作於SLC寫入模式下而迅速地跳增。
判斷式(1)之數值N與M可以是根據資料儲存裝置200的保固需求以及快閃記憶體202的物理特性而設定。一種實施方式中，資料儲存裝置200的保固寫入數據量為72T，快閃記憶體202具有900個區塊，各區塊可供儲存144M數據、且各區塊的抹除次數上限為1500次。各區塊應付72T的保固需求的抹 除次數為583次(72T/(900*144M))。相較於1500次的抹除計數上限，各區塊有916次的抹除次數可以耗費在SLC技術上。判斷式(1)可令N為12T且M為12，使此916次的餘裕可以分攤在快閃記憶體202的生命週期中。或者，考量到如SLC寫入放大現象，各區塊基本使用預期耗費的抹除次數可能為1166次(583*2)，餘裕的抹除次數降低，判斷式(1)的數值N與M也可以有對應的設計。
一種實施方式更使用以下判斷式(2)：SpareBlk_Num>SLC_Th (2)SpareBlk_Num為快閃記憶體202的閒置區塊(spare blocks)總數。SLC_Th為SLC啟動臨界。微控制器204在配置該快閃記憶體202提供空間儲存主機206傳來數據時，會檢查判斷式(2)。判斷式(2)若滿足，代表快閃記憶體202空間充裕，尚不需追求儲存密度。微控制器204係令配置的區塊操作在SLC模式下以儲存數據，善用SLC模式的高可靠度與高寫入效能。判斷式(2)為切入SLC寫入模式的條件。
在一種實施方式中，微控制器204可在主機206對快閃記憶體202無讀寫要求時，或系統閒置時，將以SLC模式儲存的數據搬移至操作在TLC模式下的區塊，以兼顧記憶體容量。上述數據搬移將增加閒置區塊的數量，利於判斷式(1)進行。
第3圖為流程圖，根據本案一種實施方式圖解微控制器204對快閃記憶體202之操作，其中使用了以上判斷式(1)以及(2)決定所配置之區塊採用的操作模式。步驟S302，微控制器204自主機206接收到寫入需求。步驟S304，微控制器204檢查判斷式(2)。判斷式(2)不滿足時，代表快閃記憶體202空間 不充裕，微控制器204根據步驟S306令所配置的區塊以TLC模式儲存來自主機206的數據。判斷式(2)滿足時，代表快閃記憶體202空間充裕，微控制器204更根據步驟S308檢查判斷式(1)。SLC寫入數據量SLC_WCnt若尚未增長至判斷式(1)成立，微控制器204根據步驟S310令所配置的區塊以SLC模式儲存來自主機206的數據，善用SLC模式之高可靠度以及高寫入速度。反之，判斷式(1)若成立，微控制器204即切換根據步驟S306以TLC模式儲存來自主機206的數據，避免過度觸發區塊抹除動作。
第4圖為效能圖；橫軸為累積的寫入數據量，縱軸為資料儲存裝置200的效能。圖例遵循以上判斷式(1)與(2)。交錯地使區塊操作在高效的SLC模式下，直到資料儲存裝置200的生命周期盡頭(寫入數據量近72T)，也有出現以SLC模式儲存數據的機會。此效能圖主要顯示SLC寫入模式以及TLC寫入模式的穿插概念。實際的資料儲存裝置200運作會使得圖例各T的SLC寫入模式是切分地更細散布在對應的13T(1T的SLC寫入模式+12T的TLC寫入模式)區間。
此段落討論一種資料儲存裝置200使用狀況，其中少量使用快閃記憶體202且係反覆對一段邏輯位址更新數據。基於判斷式(1)，快閃記憶體202不會因為空間充足而全面使用SLC模式儲存來自主機206的數據。TLC寫入模式將穿插出現。快閃記憶體202因而受保護，不因SLC技術的寫入放大而過早損毀。
此段落討論另外一種資料儲存裝置使用狀況，其 中主機206要求大量寫入數據。基於判斷式(1)，快閃記憶體202不會在運作之初期全面使用SLC寫入模式。判斷式(2)可較晚才不被滿足。即使是大量寫入數據，一段時間後，資料儲存裝置200也還是有機會改以SLC寫入模式儲存來自主機206的數據，享有SLC寫入模式的高可靠度以及高寫入速度。
其他實施例中，跳脫SLC寫入模式，改選擇TLC寫入模式的條件可能與判斷式(1)有些微出入。SLC寫入數據量SLC_WCnt以及TLC寫入數據量TLC_WCnt之間比例可以其他判斷式控制。一種實施方式是判斷SLC寫入數據量SLC_WCnt是否超越一動態臨界標準。該動態臨界標準是隨著TLC寫入數據量TLC_WCnt變動。SLC寫入數據量SLC_WCnt超越該動態臨界標準時，微控制器204自SLC寫入模式切換至TLC寫入模式，用配置的區塊儲存該主機206要求的寫入數據。
其他實施例中，微控制器204可以是操作快閃記憶體202在SLC寫入模式與其他階寫入模式間切換。例如，快閃記憶體202也可以是配置成一存儲單元儲存兩位元數據的多階存儲單元(multiple level cell，簡稱MLC)。微控制器204可以是操作快閃記憶體202在SLC寫入模式與MLC寫入模式間切換。或者，微控制器204可以是操作快閃記憶體202在三種以上寫入模式切換。例如，微控制器204可以是操作快閃記憶體202在SLC寫入模式、MLC寫入模式、以及TLC寫入模式間切換。此外，隨著技術發展，一存儲單元儲存更多位元數據的技術也都可以應用於本案。上述MLC以及TLC技術也可以其他數值的複數階存儲單元技術替換。
其他採用上述概念操作非揮發式記憶體的技術都屬於本案所欲保護的範圍。基於以上技術內容，本案更可發展出非揮發式記憶體操作方法。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (20)

  1. 一種資料儲存裝置，包括：一非揮發式記憶體；以及一微控制器，配置該非揮發式記憶體儲存一主機要求的寫入數據；其中：根據一第一寫入模式累積的寫入數據量以及一第二寫入模式累積的寫入數據量，該微控制器穿插以該第一寫入模式以及該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據，以回應該主機的寫入要求；且一存儲單元於該第一寫入模式下儲存的位元數少於該第二寫入模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器是在該第一寫入模式累積的寫入數據量超越一動態臨界標準時，自該第一寫入模式切換至該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據回應該主機的寫入要求；且該動態臨界標準是隨著該第二寫入模式累積的寫入數據量變動。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器於一判斷式為真時，自該第一寫入模式切換至該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據回應該主機的寫入要求；該判斷式為(WCnt#2+N)/M<WCnt#1； WCnt#1為該第一寫入模式累積的寫入數據量；WCnt#2為該第二寫入模式累積的寫入數據量；且N以及M為數值，使(WCnt#2+N)/M為上述動態臨界標準。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之資料儲存裝置，其中：N以及M相關於該資料儲存裝置的保固需求。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之資料儲存裝置，其中：該非揮發式記憶體為快閃記憶體；且N以及M更相關於該快閃記憶體的區塊總數、以及各區塊的尺寸與抹除次數上限。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器是在該非揮發式記憶體的可配置空間大於一第一寫入模式啟動臨界時，以該第一寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器在該非揮發式記憶體的可配置空間不大於該第一寫入模式啟動臨界時，是以該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中：該非揮發式記憶體為快閃記憶體；且該第一寫入模式為單階存儲單元寫入模式，使所配置的區塊之各存儲單元儲存一位元的數據；且該第二寫入模式使所配置的區塊之各存儲單元儲存多於一位元的數據。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存裝置，其中：該第二寫入模式為三階存儲單元寫入模式，使所配置的區塊之各存儲單元儲存三位元的數據。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器於該主機不存取該快閃記憶體時，將單階存儲單元儲存的數據搬移到採三階存儲單元進行儲存的區塊。
  11. 一種非揮發式記憶體操作方法，包括：配置一非揮發式記憶體儲存一主機要求的寫入數據；以及根據一第一寫入模式累積的寫入數據量以及一第二寫入模式累積的寫入數據量，穿插以該第一寫入模式以及該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據，以回應該主機的寫入要求；其中，一存儲單元於該第一寫入模式下儲存的位元數少於該第二寫入模式。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：在該第一寫入模式累積的寫入數據量超越一動態臨界標準時，自該第一寫入模式切換至該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據回應該主機的寫入要求；其中，該動態臨界標準是隨著該第二寫入模式累積的寫入數據量變動。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之非揮發式記憶體操作方法， 更包括：於一判斷式為真時，自該第一寫入模式切換至該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據回應該主機的寫入要求，其中：該判斷式為(WCnt#2+N)/M<WCnt#1；WCnt#1為該第一寫入模式累積的寫入數據量；WCnt#2為該第二寫入模式累積的寫入數據量；且N以及M為數值，使(WCnt#2+N)/M為上述動態臨界標準。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之非揮發式記憶體操作方法，其中：N以及M相關於配備該非揮發式記憶體的一資料儲存裝置的保固需求。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之非揮發式記憶體操作方法，其中：該非揮發式記憶體為快閃記憶體；且N以及M更相關於該快閃記憶體的區塊總數、以及各區塊的尺寸與抹除次數上限。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：在該非揮發式記憶體的可配置空間大於一第一寫入模式啟動臨界時，以該第一寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：在該非揮發式記憶體的可配置空間不大於該第一寫入模式啟動臨界時，以該第二寫入模式配置該非揮發式記憶體儲存該主機要求的寫入數據。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之非揮發式記憶體操作方法，其中：該非揮發式記憶體為快閃記憶體；且該第一寫入模式為單階存儲單元寫入模式，使所配置的區塊之各存儲單元儲存一位元的數據；且該第二寫入模式使所配置的區塊之各存儲單元儲存多於一位元的數據。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之非揮發式記憶體操作方法，其中：該第二寫入模式為三階存儲單元寫入模式，使所配置的區塊之各存儲單元儲存三位元的數據。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之非揮發式記憶體操作方法，更包括：於該主機不存取該快閃記憶體時，將單階存儲單元儲存的數據搬移到採三階存儲單元進行儲存的區塊。
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