《闪存问题之READ DISTURB》总结

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闪存存在几个问题，影响着数据可靠性：

1.擦除次数，闪存擦除次数增多，会使隔离栅极的电化学键变弱。

2.data retention问题，随着时间的流逝，存储在闪存中的数据会消失，原因是浮栅极里面的电子跑出来了。电子跑出来的速度是跟擦除次数成正比的，也就是，闪存擦写次数越多，电子跑得越快，也就是数据消失得越快。

3.program disturb和read disturb，顾名思义，就是读写闪存的时候，会影响数据。

还是这张图，基本存储单元结构图，浮栅极被上下绝缘层（黄色标示）包裹，电荷就存储在里面。牢记这张图，这是闪存的根。

闪存由Block组成，是擦除的基本单元。一个Block包含若干个Page，上图以256个Page为例。一个Wordline（上图黄色所示）对应着一个Page或几个Page，取决于SLC, MLC和TLC：对SLC来说，一个WordLine对应一个Page；MLC则对应2个Page，这两个Page是一对：Lower Page 和Upper Page；TLC对应3个Page。（关于上述论断，是按单个Plane来说的，而且是2D闪存的）一个Page有多大，那么WordLine上面就有多少个存储单元（Cell），即有多少个Bitline。上图示例有71488个bitline，表明该闪存Page大小是71488/8 = 8936 bytes。

以MLC为例：

我们知道，要使一个晶体管导通，在控制极必须加一个大于晶体管阈值电压的控制电压。对浮栅极晶体管来说，往浮栅极里面注入不同数量的电子，将改变晶体管的阈值电压。由于不同的状态有不同的阈值电压，我们可以通过在控制极加不同的参考电压来判断当前存储单元数据。以上图为例，低比特数据代表lower Page数据，高比特数据代表Upper Page数据。 如果我们要读Upper Page数据，要区分0还是1，只需在控制极加个参考电压V2：如果晶体管导通，说明是1 （因为不管11还是10状态，其阈值电压都小于V2）；否则就是0 (因为不管01还是00，阈值电压都大于V2)。如果要读取Lower Page数据，要区分0和1的话，就稍微复杂了：我们首先得在控制极加个参考电压V1，如果导通，说明数据是1（因为11状态阈值电压小于V1）;如果截止，没有办法说明是0和1，因为10,01,00三个状态阈值电压都比V1大，这个时候我们需要改变控制极的参考电压为V2，再看晶体管的导通状态，如果导通，说明数据是0 （10状态阈值电压小于V2），如果晶体管截止，还是无法判断数据是0和1，因为01和00状态阈值电压都大于V2。这个时候，我们需要再次改变控制极的电压为V3，这个时候，导通说明是1，截止说明数据是0。从中我们看出，读lower page需要尝试多次参考电压，才能获得最后的数据，而读upper page时，只需一次，所以对MLC来说，读lower page和读upper page的时间是有所差异的。

在上图中，如果我们把00和01状态调换一下，如下图所示：

如果我们还是读lower Page数据。首先，我们在控制极加个参考电压V1，如果晶体管导通，说明数据是1；如果截止，这个时候我们在控制极直接加参考电压V3，如果导通，说明是0，因为不管10还是00，低比特都是0；如果截止，就是1。我们最多经过两次电压尝试就把数据区分出来了，比前面少了一次电压尝试。有些闪存厂家采取前面那种编码方式，而有些闪存厂家采取后面那种编码方式。所以，不同商家的闪存特性存在差异。

如上图所示，先看左边（a）部分，如果我们要读取一个Block当中的某个Page，需要在其它所有Wordline控制极上加一个Vpass电压，这样保证了其它晶体管都是导通的；对被读取的Page，需要在其所在Wordline的控制极上加参考电压Vref，可能加一次参考电压就能把数据读出来，也可能需要几次，具体做法如前面描述。

再看右半部分（b）。读操作时，衬底加电压是0，读取的page，控制极上的电压是Vref，而对其他Page，控制极上加的电压是Vpass。问题来了，由于其他Page上加了一个Vpass，相对来说是一个比较大的电压，这样就会在浮栅极和衬底形成一个较强的电场，可能就把一些电子吸入浮栅极，有点轻微Program的意思。随着该Block上Page数据读的次数越来越多，无辜的page（没有被读到的）中的浮栅极电子进入越来越多，导致里面数据状态发生变化，也就意味着数据出错。

这就是Read Disturb。同一个block上page读，自己没事，导致其他没有被读的page数据出错。

Read Disturb会导致浮栅极进入电子，跟Data Retention浮栅极电子流失不同。由于有额外的电子进入，会导致晶体管阈值电压右移（Data Retention问题导致阈值电压左移），如下图所示：

由于晶体管阈值电压偷偷的发生了变化（变大了），闪存内部逻辑如果还是按照之前的参考电压加在控制极上，然后去判断数据的话，肯定会发生误判，也就是读到错误的数据。 阈值电压右移的速度，也就是Read Disturb影响数据的程度，一方面与你读该Block上数据的次数有关，读的越多，右移越多，影响越大，另一方，还跟你block的擦除次数有关，擦写次数越多，绝缘效果越差，电子进入浮栅极就越容易，read Disturb的影响也就越大。

闪存使用者如何对付Read Disturb呢？

一般做法就是记录每个Block读的次数，赶在这个数值达到阈值（闪存厂家提供）之前，把block上所有的数据刷新一遍（读出来，擦除，然后在写回），或者把数据搬到别的地方。回到开头那个问题，Read Disturb为什么会导致SSD性能下降？就是因为一个Block上的数据读的次数太多了，固件需要赶在UECC出现之前，把整个Block数据刷新或者搬移，占用底层带宽，导致Host读写性能下降。

还有人研究发现，减小Vpass可以缓解Read Disturb。因为Vpass变小，电场减弱，吸入电子的能力减弱，能缓解read Disturb影响。一方面，现在闪存厂商都没有开放调Vpass电压的接口给用户；另一方面，过低的Vpass会导致读失败。该方法只能缓解，不能从源头上杜绝Read Disturb的影响。