嵌入式eMMC存儲讀干擾應(yīng)對方案

背景

隨著NAND Flash技術(shù)發(fā)展，存儲廠商通過降低存儲單元的大小、采用多階存儲技術(shù)（比如MLC、TLC、QLC）或者使用三維堆疊技術(shù)，來提高存儲密度的目的。但是此舉也會帶來可靠性問題，比如降低存儲單元的大小會導(dǎo)致存儲單元中存儲的電子數(shù)量的減少；多階存儲技術(shù)會導(dǎo)致存儲單元中代表不同信息的電壓區(qū)間縮小而影響NAND Flash的可靠性。

在NAND Flash的眾多特性里，其中讀干擾（Read Disturb）表現(xiàn)為如果對NAND閃存中某個位置進(jìn)行多次讀取，會對同一個塊中其它未操作的頁造成干擾（數(shù)據(jù)誤碼率會越來越高），這種特性的影響程度和讀取次數(shù)、NAND閃存的架構(gòu)、塊的擦除寫入次數(shù)、是否滿塊編程等密切相關(guān)，如果不及時處理，會導(dǎo)致誤碼率超過糾錯引擎的范圍引發(fā)數(shù)據(jù)丟失。

圖1：NAND Flash閾值錯誤

01

固件處理策略

當(dāng)前業(yè)內(nèi)一般的做法是記錄塊的讀取次數(shù)，當(dāng)達(dá)到閾值時就把對應(yīng)塊上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移，即讀回收（Read Reclaim）的操作。然而，在讀密集的應(yīng)用上，讀干擾可能會觸發(fā)大量的數(shù)據(jù)搬移，提高寫放大，且影響前端的響應(yīng)速度。

得一微電子基于對NAND Flash深入的研究和豐富的處理經(jīng)驗，形成了一套成熟的固件處理方案有效解決讀干擾問題，有效提升客戶的存儲產(chǎn)品體驗。

快速掃描干擾塊

由于NAND Flash每個block的讀耐受程度差異，如果使用單純記錄塊計數(shù)的辦法會不太準(zhǔn)確，取一個保守的值會導(dǎo)致無效的讀回收，取一個過大的值會導(dǎo)致讀回收不及時。

得一微固件團(tuán)隊深入分析NAND Flash的頁編碼規(guī)則，找到對應(yīng)讀干擾造成最大影響的頁，固件通過掃描塊中的這些頁來確認(rèn)讀干擾造成的影響程度，然后把受到干擾的page remap到其它block上，或者對整塊進(jìn)行讀回收。

智能選取讀參考電壓

同樣的，在NAND Flash導(dǎo)入時對其特性進(jìn)行全面分析：包括讀干擾對NAND Flash的影響情況，并且找出合理的Vread值。固件在讀取目標(biāo)頁的時候，會參考該塊受到讀干擾影響的情況去選擇對應(yīng)的Vread，從而降低讀取數(shù)據(jù)的出錯比特，減少甚至避免read retry，提高指令的響應(yīng)時間。

熱讀數(shù)據(jù)分離

在讀密集的應(yīng)用上，如果熱讀數(shù)據(jù)和冷讀數(shù)據(jù)編程在同一個NAND block上，讀回收會導(dǎo)致冷讀數(shù)據(jù)回收搬移，帶來無效的NAND寫入。可以使用得一微自研仿真平臺對被測樣品的操作序列進(jìn)行分析，使用有效的策略區(qū)分熱讀數(shù)據(jù)和冷讀數(shù)據(jù)，把熱讀數(shù)據(jù)編程到SLC mode塊上，從而降低讀回收帶來寫放大。

02

方案效益分析

測試場景

抓取方式介紹：在平臺使用過程中，我們在eMMC中增加log輸出，輸出內(nèi)容包括讀、寫、擦除地址和長度、指令間空閑時間等。在模擬器測試的時候，可以重復(fù)注入同一個激勵：

觀看視頻：使用手機(jī)在app上觀看視頻，測試時長24小時。

日常使用：模擬日常高強(qiáng)度使用手機(jī)，包括使用微信、拍照、瀏覽網(wǎng)頁等行為，使用時長10天。

休眠喚醒：使用工具，定期對手機(jī)進(jìn)行休眠喚醒。

讀干擾測例：我們內(nèi)部為專門驗證讀干擾特性所編寫的測試用例，可以快速觸發(fā)讀干擾問題。

實驗結(jié)果和分析

實驗對比兩個讀干擾策略，分別是應(yīng)用了常規(guī)讀回收方案的原始方案和應(yīng)用了固件處理策略的優(yōu)化方案，對比兩個方案的寫放大和讀干擾觸發(fā)回收的次數(shù)。

實驗以原始方案的寫放大和讀干擾回收次數(shù)為基準(zhǔn)，比較優(yōu)化方案和原始方案的對應(yīng)參數(shù)，從而畫出圖2。

圖2：不同讀干擾方案參數(shù)效益比對

由上述的實驗結(jié)果我們可以直觀的看到，應(yīng)用了新策略方案的結(jié)果較原始方案會更好。在觀看視頻和讀干擾的測例上，讀干擾方案優(yōu)化的效果非常明顯；在重啟測試上，由于重復(fù)讀取固定地址的占比不大，所以讀干擾方案優(yōu)化的效果不明顯。

總結(jié)

得一微自研的算法模擬器是一套完善、高效的固件仿真器，可以把平臺對eMMC的操作序列作為激勵注入。模擬器擁有完整的NAND Flash模型來模擬讀干擾特性，可以快速驗證固件處理策略的效果。正是基于此算法模擬器，讓得一微的固件團(tuán)隊能夠輕松構(gòu)建NAND Flash讀干擾的特征（讀耐受次數(shù)、影響鄰近頁的穩(wěn)定性、Wordline中容易出錯的頁等），使用不同場景的操作序列作為激勵，最后比較采用不同策略固件的關(guān)鍵參數(shù)，從而判定策略的適配性。