武漢光電國家實驗室謝長生主任
如今閃存越來越應(yīng)用到3D上，閃存容量在快速提高，但它的可靠性卻越來越差，我們在使用這種芯片設(shè)計系統(tǒng)的時候，希望其在容量提高的同時確保它的可靠性和性能不下降，這是我從我們研究單位的角度來說的問題。我們閃存密度提高，價格下降，在移動存儲稱為主流介質(zhì)，在大容量存儲方面也稱為主流介質(zhì)，我們用3D閃存設(shè)計系統(tǒng)的時候，很多系統(tǒng)設(shè)計者反饋說我們用新的芯片以后，手機一段時間性能就變差了，或是容易死機，固態(tài)盤的設(shè)計者也遇到這些問題，那我們怎么在系統(tǒng)設(shè)計的時候，提高容量的同時讓可靠性不掉線。
以下為嘉賓演講實錄：
首先我們看看NAND閃存市場的趨勢，現(xiàn)在閃存大部分用于SSD和手機，其他的還有一些卡的應(yīng)用，按照現(xiàn)在的市場到2019年的預(yù)測，可能80%的系統(tǒng)都會應(yīng)用到閃存或者混合系統(tǒng)。到2017年，超過50%系統(tǒng)已經(jīng)用3D閃存芯片了，3D閃存已經(jīng)成為主流?，F(xiàn)在提高閃存容量主要有三個途徑，一個是降低制程工藝，第二多階存儲，第三是多層堆疊，這個是我們最主要提高的途徑，以前做到96層就行了，現(xiàn)在新的路線在美國今年提出的新技術(shù)路線圖目標(biāo)是要做到512層，以后堆疊的技術(shù)可能是芯片提高容量的最主要技術(shù)。
我們用越來越大的芯片設(shè)計固態(tài)盤，設(shè)計手機，容量大了，但性能和可靠性有所下降，那么魚與熊掌能否兼得，既提高可靠性，性能又不下降？理論上是完全可以解決的，當(dāng)時科學(xué)家香農(nóng)在1948年發(fā)表的論文奠定了信息論的基礎(chǔ)，實際上就告訴你通訊不管中間出現(xiàn)什么干擾，最終是有技術(shù)，是可以給你完整無誤的從這一端傳輸?shù)搅硪欢?。相同的信息理論是解決通信問題的，但是我們現(xiàn)在卻把它解決存儲問題，這是為什么呢。現(xiàn)在我們固態(tài)盤用的BCH，其實就是通訊里用的，1960年提出LDPC現(xiàn)在用于固態(tài)盤設(shè)計，這些都是通訊中移過來的，為什么通訊的理論可以解決存儲問題呢，我跟大家交流一下心得。
我是這樣理解的，通訊和存儲都是信息傳遞，只不過通訊是信息跨越空間的傳遞，而存儲是信息跨越時間的傳遞，都是信息傳遞。我們看一下，這是時間軸，這是空間軸，比如說老子在2500年前寫的《道德經(jīng)》，我現(xiàn)在讀到了，這個時間跨度實際上2500年，他可能在河南寫的，我在北京讀的，還有個空間跨度，時間就是存儲，空間就是通訊。比如我們現(xiàn)在發(fā)電子郵件，假如我從武漢發(fā)到北京，這跨一個空間，這是通訊，你朋友可能過一個小時才看到這個郵件，存到某個地方你才能看到，這就是存儲。所以實際上信息傳遞都是時空二維的，只不過考慮時間就是存儲，考慮空間就是通訊，這個理論不光光適合于通訊，也適合于存儲，本質(zhì)上是適合信息傳遞的，只要是信息傳遞這個理論就可以適用。所以我們只要把通訊理論這個維度擴展到時間維度上去，就成為存儲的理論，所以我們就可以借用通訊理論的根本原因，就是因為通訊理論實際上是一個傳遞的理論，我們把它應(yīng)用到時間傳遞上，它就可以解決我們的存儲問題，這樣我們就能理解為什么我們那么多的理論都可以從通訊中得到。
但是存儲也有它的特點，存儲也一樣，你存進去的東西我讀出來要一模一樣，通訊是空間信道，存儲是時間信道，存儲介質(zhì)的失效就是噪聲，這樣我們就可以分析整個的存儲問題了。存儲其實比通訊要復(fù)雜，我們來看現(xiàn)在這塊閃存是怎么出錯的，也就是噪聲是怎么產(chǎn)生的，我們才能分析怎么設(shè)計更可靠的系統(tǒng)。
閃存單元的出錯模式，對它的分析對我們的系統(tǒng)設(shè)計是非常重要的，閃存的噪聲主要是由于電荷存儲，它把電荷封在一個絕緣體，它如果漏電，漏光了，0就變成1了，就錯了，而且對多階存儲更敏感，你漏一點就會下降到另一個臺階上，漏電對它的影響特別大，稍微漏一點就錯了，這是電荷泄漏是它出錯模式的一個方面。第二個方面就是擦寫磨損，要全擦了以后才能編程，得出新的數(shù)據(jù)，這樣次數(shù)越多絕緣層就破壞越多，就越容易漏電，漏到一定程度就保存不住了，這個閃存就壞了。第三是讀寫干擾，讀寫的時候相鄰的對它也有影響。還有性能會下降，我們?yōu)榱私鉀Q這些問題，現(xiàn)在發(fā)展了很多閃存技術(shù)，比如我們想使它磨損的均衡一些，我這一塊和那一塊幾萬個地方均勻的磨損，還有數(shù)據(jù)布局、垃圾回收、糾錯編碼、健康管理、故障預(yù)測，很多方法我們都要保證它的可靠性，還有現(xiàn)在用到了一些人工智能的技術(shù)。為了對3D芯片的出錯模式進行比較細致的研究，我們實驗室課題組就專門研究3D閃存，對它的芯片進行了實驗的研究，看看到底出錯是怎么發(fā)生的。
現(xiàn)在3D閃存主要有兩類，更多的是用電荷捕獲的技術(shù)，這兩種各有各的特點，第一種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)保留性較好，單元間干擾比較小，F(xiàn)G比較差，在以后互相干擾很嚴重，電荷復(fù)核就比較好，速度和能耗都有一些差別，現(xiàn)在更多的3D閃存是用的電荷捕獲型，我們看看未來對3D閃存芯片有一個全面的認識，廠商給的數(shù)據(jù)實際上就是一些容量、速度這些方面的指標(biāo)，但是在設(shè)計的時候你要知道的東西比這些更多，才能設(shè)計出來更好的系統(tǒng)。
我們進行了長期測試以后，發(fā)現(xiàn)3D層和層之間差別比較大，這是因為工藝從上到下有所區(qū)別，造成延時就不一樣，層與層之間變化非常大，所以你設(shè)計的時候你要知道你用哪些層快一點，哪些層慢一點。但是在這個平面我們測差別就不太大。第二數(shù)據(jù)的耐久性，我們也是測了很多，一個是把它寫壞，隨機的寫，寫壞了以后就停止測試，我們看到不同的閃存塊壽命是不一樣的，它會在4000到6000之間波動，我們一個閃存芯片有些塊是壽命長一些，有些是壽命短一些。不同的塊隨著擦寫次數(shù)的增多，不同的塊之間是有差別的，但是在這個平面上差別就不大。3D是多層的，引入了一個新的層間的干擾希望，上層和相鄰的層對它的干擾是最大的，你看豎的層面上對它有20%的干擾，下面對它有30%的干擾，豎的方向干擾是比較大的，水平方面就小得多，所以有位置相關(guān)性。還有讀的干擾，我們也對芯片進行了詳細測試。
還有電流捕獲型的，和2D也有一些變化，這些變化就造成它性能上會改變。我們看看3D閃存出來以后它和2D有什么不同，最主要的不同就是層與層之間有不一致性，有些很明顯，而且層結(jié)的串?dāng)_和持久性耐久性問題更為嚴重，還有頁數(shù)量和頁尺寸變大，垃圾回收之類的就有一些問題。我們做了很多研究，除了大家已知的技術(shù)，我們還探索了新的技術(shù)，我舉幾個例子，剛才說3D芯片出現(xiàn)以后和2D相比有一些不一樣的地方，它的塊和頁容量變大，我們怎么優(yōu)化呢，就用了一個紙分頁，還有磨損均衡，以前磨損均衡都是根據(jù)已經(jīng)使它的可擦寫次數(shù)比較均勻，但是我們發(fā)現(xiàn)這個并不是非常好的磨損性的指標(biāo)，我們現(xiàn)在提出來以編程的錯誤率作為它的測率，這樣能更好的發(fā)揮介質(zhì)的作用。
假如你均勻看待，有的塊壽命長，有的塊壽命短，我們現(xiàn)在以編程錯誤率來看就可以發(fā)揮不同的壽命塊的潛力，使我們整個系統(tǒng)壽命更長。還有垃圾可回收、還有內(nèi)部RAID構(gòu)建，還有新的錯誤感知，這樣更好的來糾錯，我們發(fā)展了一些新的方式來保證可靠性。我們也發(fā)表了一些文章，在現(xiàn)有大家熟知的技術(shù)上我們發(fā)展了一些新的技術(shù)，用這些技術(shù)就可以使你采用更新的3D閃存芯片，你設(shè)計的系統(tǒng)可靠性可以得到更好的保障，它的壽命也會更長，這樣你的產(chǎn)品就和別人有區(qū)別，性能大家都差不多，但是用了一段時間，你就發(fā)現(xiàn)我們可以設(shè)計出一個更有競爭力的產(chǎn)品，別人同樣用這個芯片，我們新盤的時間都差不多，或者手機都用同樣芯片，但是你用了一年之后，你設(shè)計上面有新的考慮以后，你的壽命比別人長，性能又比別人好，你就可以具有優(yōu)勢，我們做了這些研究工作，也希望廠商們我們一起合作，可以設(shè)計下一代芯片的時候，能夠設(shè)計出更好更可靠的產(chǎn)品，使我們在市場競爭中搶得先機，現(xiàn)在已經(jīng)有一些企業(yè)和我們合作，我們也歡迎用閃存做產(chǎn)品的公司，我們一起來探討。
