[논문 리뷰] Increasing Flash Memory Lifetime by Dynamic Voltage Allocation for Constant Mutual Information

Tsung‐Yi Chen, Adam R. Williamson외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 18.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 마모 상태에 따라 독출 전압을 조정함으로써 일정한 상호정보량을 유지하는 플래시 메모리에서의 동적 전압 할당 기법을 제안한다. 이로 인해 4레벨 MLC 플래시 메모리 수명이 거의 두 배로 연장된다. 이 방법은 소프트 정보를 다중 독출을 통해 추정한 노이즈 분포를 기반으로 실시간으로 전압 수준을 적응시키는 데 사용된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 프로그램/에르ased 사이클 동안 포워-노르하임 터널링과 전하 주입으로 인한 플래시 메모리의 열화 문제를 해결한다.
• 셀이 마모됨에 따라 신뢰성이 떨어지고 수명이 단축되는 고정된 전압 임계치의 한계를 극복한다.
• 장치의 운영 수명 전반에 걸쳐 플래시 채널의 입력과 출력 사이의 상호정보량을 일정하게 유지한다.
• 기존의 다중 독출 소프트 정보를 활용해 마모 상태와 유지 보존 노이즈를 실시간으로 추정할 수 있는 실용적인 방법을 개발한다.

제안 방법

• 입력에 따라 변하는 가우시안 및 라플라스 노이즈 성분을 갖는 시간에 따라 변화하는 노이즈 시스템으로 플래시 메모리 채널을 모델링한다.
• 순간적 채널 용량을 최적의 전압 수준을 결정하는 지표로 사용하여 일정한 상호정보량을 유지한다.
• 다중 독출을 통해 확보한 히스토그램 기반 소프트 정보로부터 추정된 노이즈 분포에 기반해 독출 전압 임계치를 동적으로 조정한다.
• 총 누적 전하(V_acc)를 최소화하면서도 목표 용량을 유지하기 위해 수치 최적화를 적용함으로써 수명을 연장한다.
• 현대 플래시 시스템에 내장된 다중 독출 기능을 활용해 추가 하드웨어 없이도 임계 전압 분포를 추정한다.
• LDPC 디코딩에서 유도된 양자화된 소프트 정보를 사용해 마모와 유지 보존 손실에 의한 평균 및 분산 이동을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플래시 메모리 채널이 시간이 지남에 따라 열화할 경우, 독출 전압 임계치의 동적 조정이 일정한 상호정보량을 유지할 수 있는가?
• RQ2 기존의 다중 독출 소프트 정보만을 사용해 마모 및 유지 보존 노이즈를 실시간으로 정확히 추정할 수 있는가?
• RQ3 실제 플래시 채널 모델 하에서 동적 전압 할당을 통해 얻을 수 있는 최대 수명 연장은 얼마인가?
• RQ4 제안된 방법은 정적 전압 임계치 기반 기법과 비교해 누적 전하 및 신뢰성 측면에서 어떻게 성능이 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• 선택된 파rameter 하에서 동적 전압 할당 기법은 4레벨 MLC 플래시 메모리의 수명을 거의 두 배로 연장한다.
• 마모 및 유지 보존 노이즈의 추정에 기반해 독출 전압 수준을 적응시키는 방식으로 상호정보량을 일정하게 유지한다.
• 다중 독출에서 유도된 히스토그램은 노이즈 분포를 추정하고 전압 수준 조정을 안내하는 데 충분한 정확도를 제공한다.
• 이 방법은 기존 플래시 아키텍처와 호환되며, LDPC 디코딩에 이미 생성된 소프트 정보를 재사용한다.
• 임계 전압 분포의 박스 이동을 식별하고 보정함으로써 유지 보존 손실에 의한 평균 이동 효과를 효과적으로 완화한다.
• 평가에서 사용된 가우시안 및 라플라스 노이즈 모델 외의 다른 플래시 메모리 채널 모델에도 일반화 가능하다.