[論文レビュー] Increasing Flash Memory Lifetime by Dynamic Voltage Allocation for Constant Mutual Information

Tsung‐Yi Chen, Adam R. Williamson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2014

Advanced Data Storage Technologies参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、摩耗に応じてリード電圧を調整することで一定の相互情報量を維持するフラッシュメモリにおける動的電圧割り当て方式を提案する。4レベルMLCフラッシュメモリの寿命をほぼ2倍に延長する。この手法は、複数回のリードから得られるソフト情報を利用してノイズ分布を推定し、リアルタイムで電圧レベルを適応的に調整する。

ABSTRACT

The read channel in Flash memory systems degrades over time because the Fowler-Nordheim tunneling used to apply charge to the floating gate eventually compromises the integrity of the cell because of tunnel oxide degradation. While degradation is commonly measured in the number of program/erase cycles experienced by a cell, the degradation is proportional to the number of electrons forced into the floating gate and later released by the erasing process. By managing the amount of charge written to the floating gate to maintain a constant read-channel mutual information, Flash lifetime can be extended. This paper proposes an overall system approach based on information theory to extend the lifetime of a flash memory device. Using the instantaneous storage capacity of a noisy flash memory channel, our approach allocates the read voltage of flash cell dynamically as it wears out gradually over time. A practical estimation of the instantaneous capacity is also proposed based on soft information via multiple reads of the memory cells.

研究の動機と目的

• プログラム/エラーサイクルに伴うフォローワー・ノルトハイムトンネル効果および電荷注入によるフラッシュメモリの劣化を解決すること。
• セルが摩耗することで信頼性が低下し寿命が短くなる固定電圧しきい値の制限を克服すること。
• デバイスの運用期間中を通じて、フラッシュチャネルの入力と出力間の相互情報量を一定に維持すること。
• 既存のLDPCデコーダーで得られるマルチリードソフト情報を利用し、摩耗および保持ノイズを実時間で推定する実用的でリアルタイムな手法を開発すること。

提案手法

• 入力依存のガウス分布およびラプラス分布ノイズ成分を有する時変化するノイズ系としてフラッシュメモリチャネルをモデル化する。
• 瞬間的なチャネル容量を指標として用い、一定の相互情報量を維持する最適な電圧レベルを決定する。
• 複数回のリードによって得られるヒストグラムベースのソフト情報から推定されたノイズ分布に応じて、リード電圧しきい値を動的に調整する。
• 合計蓄積電荷（V_acc）を最小化する数値最適化を適用し、ターゲット容量を維持しながら寿命を延長する。
• 現代のフラッシュシステムに既に備わっているマルチリード機能を活用し、追加のハードウェアを必要とせずにしきい値電圧分布を推定する。
• LDPCデコーダーからの量子化ソフト情報を利用し、摩耗および保持損失に起因する平均と分散のシフトを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間経過による劣化が進行するフラッシュメモリチャネルにおいて、リード電圧しきい値の動的調整が一定の相互情報量を維持できるか。
• RQ2 既存のマルチリードソフト情報のみを用いて、摩耗および保持ノイズをリアルタイムで正確に推定できるか。
• RQ3 現実的なフラッシュチャネルモデル下で、動的電圧割り当てによって得られる最大の寿命延長はどの程度か。
• RQ4 本手法は、静的電圧しきい値方式と比較して、電荷蓄積および信頼性の面でどのように優れているか。

主な発見

• 選択したパrameter下で、動的電圧割り当て手法により4レベルMLCフラッシュメモリの寿命がほぼ2倍に延長された。
• 摩耗および保持ノイズの推定に応じてリード電圧レベルを適応的に調整することで、本手法は相互情報量を一定に維持する。
• 複数回のリードから得られるヒストグラムは、ノイズ分布の推定および電圧レベルの調整を導くのに十分な精度を有する。
• 本手法は、LDPCデコーダーで既に生成されているソフト情報を再利用するため、既存のフラッシュアーキテクチャと互換性がある。
• しきい値電圧分布におけるバンドシフトを特定・補正することで、保持損失に起因する平均シフト効果を効果的に低減する。
• 本フレームワークは、評価で使用したガウス分布およびラプラス分布ノイズモデルに限定されず、他のフラッシュメモリチャネルモデルへも一般化可能である。