1.SSD基础知识

SSD的存储介质是什么，它就是NAND闪存。那你知道NAND闪存是怎么工作的吗？其实，它就是由很多个晶体管组成的。这些晶体管里面存储着电荷，代表着我们的二进制数据，要么是“0”，要么是“1”。NAND闪存原理上是一个CMOS管，有两个栅极，一个是控制栅极(Control Gate), 一个是浮栅(Floating Gate). 浮栅的作用就是存储电荷，而浮栅与沟道之间的氧化层(Oxide Layer)的好坏决定着浮栅存储电荷的可靠性，也就是NAND闪存的寿命。

目前市面上主要流通的就是4种NAND类型：SLC、MLC、TLC、QLC。随着每个寿命从高到低依次是SLC>MLC>TLC>QLC.

Host从SSD读数据，最终数据的来源也是要从NAND die上读取，对NAND die发送Read Page操作，数据返回。这个过程的耗时直接决定了SSD读性能的好坏。下图是某个比较老的NAND SPEC相关读操作的示意图，仅供参考。

NAND Page Read实现的基本原理如下：

如上图所示，这是对单一cell进行read的基本操作。在控制栅极（CG, 也是WL）加上0V的电压，源极（Source)端加上0V以及漏极（Drain, 也是BL)加上1V，然后通过源极与漏极之间电流Icell的大小来判断cell的状态（0或者1）。

• A点的状态代表存在Icell，所以Cell处于“开态”（ON），称为Erased；

• B点的状态代表不存在Icell或者Icell很小且可忽略，所以Cell处于“关态”（OFF），称为Programmed。
   

如果对NAND cell阵列操作，原理图如下：

在需要read的target Page的WL上面加一个R1（一个较小的电压），其他WL的加VpassR, BL方向加1V,

• 如果Cell C处于Erased, 对应BL的Sense电路会感应到有电流；

• 如果Cell C处于Programmed, 对应BL的Sense电路不会感应到有电流。

如前面讲述，Read过程中，需要在Non-Target WL上加一个VpassR, 如果对一个Block里面的Page连续Read很多次的话，就相当于在某一WL一直会有VpassR的Stress。

如下图，Cell D 由于VpassR长时间的Stress, 会引起浮栅FG弱的电子注入，因为Read disturb主要影响Erased状态的cell，进而表现在Vt图中L0向右飘移。

在SSD中，针对Read disturb有优化措施，就是尽量避免持续读同一Block的Page，如果在进行了长时间的读操作之后，会加入Erase/Program操作，减小Read stress。这个为防止读干扰的数据搬迁动作也性能有一定的影响，

2.Vpass对读干扰与性能的影响

近期小编在查阅Vpass相关资料的时候，翻阅到了华东师范大学石亮教授团队于2017年发表的一篇关于Vpass的论文，思路挺好的，这里节选核心的内容分享给大家。详细论文获取链接，公众号后台回复关键字【Vpass论文】即可。

从读干扰的原理来看，如果同一个block内的wordline被读的次数越多，那么读干扰的影响将越大。随着3D NAND的堆叠发展，单个block的容量越来越大，那么单个block的Read Count也会相应的不断升高，呈现了指数级别的增长。3D NAND读干扰的问题，比之前2D NAND更加严重。

之前有研究表明，拉低Vpass电压可以有效降低读干扰的发生。但是，也会造成另外一个问题，也可能会产生额外的读错误。

论文中，提出一种选择特定的wordline施加低电压Vpass的方案。比如下图示例WL2正在进行Read操作，在WL0/WL62施加了低VpassL。这样的话，就降低了WL0/WL62的读干扰，同时会对WL2产生额外的读错误也会显著降低。

接下来，核心问题是，如何选择哪些WL施加低电压VpassL？

为了解决这个问题，论文中提出了2个核心点：

1.给每个Wordline增加了一个热点计数器

通过读热点与阈值T比较：

• 低于T，属于冷数据，施加正常VpassN；

• 大于等于T，属于热数据，施加低电压VpassL。

2.结合LDPC RBER和热点访问综合判断

LDPC有7个level感应电压，对应7个RBER范围。论文中将LDPC的7个level分为3组：

• Stage1: Read Level 1，这个阶段，读错误最小，所有的wordline都施加低电压VpassL。

• Stage2: Read Level 2-6，这个阶段，读错误有所增加，只针对热点读wordline施加低电压VpassL

• Stage3: Read Level 7，这个阶段读干扰导致的错误已经很严重了，需要执行数据搬迁动作。

在Stage1和Stage2，论文中还设置一个参数，Page read的延迟参数F，如果下次读的延迟增加，则选择升高VpassL电压，从VpassL0可以逐渐升高到正常电压VpassN。

大家看完上面两个步骤，是不是觉得很复杂。的确是，我们就需要考虑到，上面两个策略增加了FW设计复杂性（决策热点数据）和硬件复杂性（电路实现不同的Vpass），同时增加了额外的开销。以单个block（包含1024 pages，单个page大小4KB）为例：

• 记录Stage：需要1bit

• 记录6个VpassL：需要3bit

• 记录7个读延迟基准：需要3bit

• 记录热点阈值：需要2bit

这样来计算，对于512GB的die，就需要8MB的额外存储空间。

最后的模拟效果如何呢？

• 对于单个block 512 WLs：选择性降低Vpass的方案可以有效降低读延迟，提升读性能。

• 对于单个block 1024 WLs：全部降低Vpass的方案，由于产生了额外的读错误数据，还会导致性能下降。

• 对于单个block 2048 WLs: 全部降低Vpass的方案完全就不能工作了，因为产生的额外错误太多，超过了ECC纠错能力。

• 从平均数据来看，论文提出的“选择性降低Vpass”的策略可以有效提升20%读性能。