[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种闪存中的动态电压分配方案，通过根据磨损情况调整读取电压，保持恒定的互信息，从而将近乎翻倍地延长四层MLC闪存的寿命。该方法利用多次读取获得的软信息来估计噪声分布，并实时调整电压电平。

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.

研究动机与目标

• 解决由于编程/擦除周期中Fowler-Nordheim隧穿和电荷注入导致的闪存退化问题。
• 克服固定电压阈值带来的局限性，这些局限性会导致器件磨损后可靠性降低和寿命缩短。
• 在整个器件使用寿命期间，保持闪存信道输入与输出之间的互信息恒定。
• 开发一种实用的、实时估计磨损和保持噪声的方法，利用现有LDPC解码中的多读软信息。

提出的方法

• 将闪存信道建模为具有输入相关高斯和拉普拉斯噪声分量的时变噪声系统。
• 使用瞬时信道容量作为度量，以确定保持恒定互信息的最优电压电平。
• 根据通过多次读取获得的基于直方图的软信息估计的噪声分布，动态调整读取电压阈值。
• 应用数值优化方法，在维持目标容量的同时最小化总累积电荷（V_acc），从而延长寿命。
• 利用现代闪存系统中已有的多读功能，无需额外硬件即可估计阈值电压分布。
• 使用LDPC解码生成的量化软信息作为输入，以估计由磨损和保持损失引起的均值和方差偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在闪存信道随时间退化的过程中，能否通过动态调整读取电压阈值来维持恒定的互信息？
• RQ2 如何仅利用现有的多读软信息，在实时中准确估计磨损和保持噪声？
• RQ3 在现实的闪存信道模型下，通过动态电压分配可实现的最大寿命延长是多少？
• RQ4 与静态电压阈值方案相比，所提出的方法在电荷累积和可靠性方面表现如何？

主要发现

• 在所选参数下，该动态电压分配方法将近乎翻倍地延长了四层MLC闪存的寿命。
• 该方法通过根据估计的磨损和保持噪声动态调整读取电压电平，维持恒定的互信息。
• 从多次读取中导出的直方图足以准确估计噪声分布，并指导电压电平的调整。
• 该方法与现有闪存架构兼容，因为它重用了已为LDPC解码生成的软信息。
• 该技术通过识别并校正阈值电压分布中的分组偏移，有效缓解了保持损失引起的均值偏移效应。
• 该框架具有通用性，可推广至除评估中使用的高斯和拉普拉斯噪声模型外的其他闪存信道模型。