Lifetime Improvement of NAND Flash-based Storage Systems Using Dynamic Program and Erase Scaling

1. 摘要

• Flash的寿命限制了它的发展，本文提出了一种新的、系统级的方案来延长flash的寿命，即DPES（dynamic program and erase scaling）。之所以提出这个方案，是因为我们发现一个现象：改变NAND flash的擦除电压和擦除时间可以明显改善其寿命。降低擦除电压、减小擦除速度，可以有效延长flash的寿命。调整NAND芯片，使其在不同的擦除电压和擦除时间里，支持多次写操作和擦除操作，则DPES则可以使用软件，在flash的寿命与擦除电压/擦除时间之间找到一个平衡。

2. 现有背景下的问题

• 基于NAND Flash的存储设备越来越普遍，半导体芯片技术（10nm）也应用于TLC设备或者3D NAND设备中，但是NAND Flash的寿命问题依旧是它发展的主要阻碍。NAND Flash的密度每二年都会翻倍，但是它的寿命跟不上这个增长速度[ ]，比如从2009年到2011年，NAND Flash的寿命只增长了20%。
• 总容量为C的NAND flash的寿命为Lc, 最大擦除次数（P/E）为MAXP/E,每天总的写数据为Wday。则有：
  LC=(〖MAX〗(P/E)∗C)/(Wday∗WAF)
• WAF为写放大倍数，代表了FTL算法的效率。比如，垃圾回收期间，通过避免不必要的数据复制，可以减小WAF[ ]。
• 从系统级减小W_day的方法：重复数据删除[ ]、数据压缩[ ]、写流量节流。系统软件级技术一般都是增大〖MAX〗_(P⁄E)。

3.给出的解决方案

• 本文提出一种动态编程及擦除缩放dynamic program and erase scaling (DPES)的方法，通过改变擦除电压和擦除时间（用更小的电压、更慢的擦除一个块），可以显著提高〖MAX〗_(P⁄E)，延长NAND flash的寿命。

3.1 解决方案综述

• NAND Flash的寿命与氧化层的应激损伤（stress-induced damage）相关[ ]，而应激损伤指数依赖于应力电压（stress voltage）。减小应力电压（特别是擦除电压）可以提高NAND 寿命。实验得出：20nm节点的NAND 芯片P/E周期时擦除电压减小14%，〖MAX〗_(P⁄E)可以增加117%。但是向这种块（擦除时电压减小的块）中写入数据时，写操作需要更窄的阈值电压分布，这就需要更细粒度的控制，会延长写操作的时间。
• 我们又提出一种方案：在擦除操作最初使用较低的电压，然后在擦除过程中，慢慢将此电压增大到正常的擦除电压，这样〖MAX〗_(P⁄E)会增大，但同时擦除时间也将延长。
• DPES就是研究NAND 寿命与擦除电压速度（固件级，亦软件级）间的联系。DPES可以充分利用连续写请求间的空闲时间，这样缩短了阈值电压分布的宽度，因此擦除过的块（经过小电压擦除过的块），可以被用于大多数的写请求。这个空闲时间可以用于减缓擦除速度。如果这个空闲时间可以被自动的估计，则DPES技术可以选择最合适的擦除速度（擦除电压）。
• 我们提出一种创新的NAND 模式，在动态编程及擦除缩放时，可以自动精确的捕获NAND 寿命和擦除电压/速度间的折衷。使用了这种模式的DPES算法，称为autoFTL 。

3.2 原理概述

3.2.1 NAND Flash 的阈值电压分布

• MLC NAND Flash中，不同的电压表示不同的状态，其中，M_Pi表示相邻阈值电压间的宽度，W_Pi表示阈值电压的宽度，它们主要由数据保留时间和写操作时间影响。故整个阈值电压分布的宽度W_Vth必需满足所有的NAND flash的需求，厂商为了保证可靠性及性能需求，往往将内部高度相关联的可靠性参数设为固定值，以满足最坏情况下的需求。本文的DPES算法是牺牲了W_Pi（影响擦除时间和写性能），提高了寿命。

3.2.2 NAND的擦除操作

• NAND flash通常使用步脉冲增长模式（ISPP），即写操作电压每次增长V_ISPP。而写操作的时间:T_PROG，有T_PROG ∝ VPGMend - VPGMstartV_ISPP。如图1.

• 当V_ISPP缩放比为x%时，V_ISPP降低x%。如图2，当横坐标V_ISPP缩放比为50%时，T_PROG为200%，即写操作时间增加了100%。当阈值电压很窄时，V_ISPP很小，则需要更精确的控制，而写操作时间也会增大很多。

3.3 Dynamic Program and Erase Scaling

3.3.1 擦除电压变化对寿命的影响

• 当应激电压增大，氧化层的击穿电压T_BD按指数级减少。故P/E周期通过减小应激电压（写或擦除电压），可以增大NAND 寿命。完成一次写操作的最大电压比擦除操作大，但是NAND flash的寿命往往由擦除操作决定，因为一次擦除操作的应激时间比写操作长100倍，故若擦除电压能够降低，则NAND 寿命便可明显延长。

• 如图3，设电压缩放比例为r，即当r为x%时，表示擦除电压降低x%，即擦除电压为正常电压的1-x%. retention BER作为NAND 芯片磨损程度的测量依据，有效磨损表示一个P/E周期后NAND 的有效磨损程度。实验表明：r越大，即擦除电压越小，则retention BER越小，即NAND磨损越轻微，寿命越长。而有效磨损随着r的增加，线性减小，由图可知，3K次P/E周期后，正常擦除电压下的有效磨损为3K；当擦除电压比正常电压低14%（是正常电压的86%）时，有效磨损为1.38K（r=0.14时有图得effective wearing=0.46），此时〖MAX〗_(P⁄E)增长到2倍多。

3.3.2 Dynamic Program Scaling

• 若擦除电压比正常时小，则写操作的阈值电压窗口会变窄。如图4，当擦除电压为V_ERASE^small（正常擦除电压为VERASEnominal，且VERASEsmall<VERASEnominal）时，阈值电压窗口比正常电压下的阈值电压窗口窄∆W(Vth)，∆W(Vth)与（VERASEnominal- VERASEsmall）成正比。故当确定了VERASEsmall后，阈值电压窗口便可确定，则阈值电压分布也可确定，此时写操作的控制需要更精确，这就增加了写操作时间。

• DPES技术中使用五种擦除电压模型：EV_(〖mode〗0 )···EV(〖mode〗4 )，其中，EV(〖mode〗0 )的擦除电压V_0最大（正常擦除电压），EV(〖mode〗4 )的擦除电压V_4最小。当一个块被擦除后，需要再次被写入数据时，有一个最小的写操作间隔，它依赖与擦除电压模式。见图5（a），当NAND flash块的擦除电压模式为EV(〖mode〗_4 )（V_4是V_0的89%）时，而它的最小写操作间隔是正常情况下的2倍。

• 定义五种写模式分别为：W(mode0)··· W(mode4)，其中W(modei)满足EV(〖mode〗i)下的最小写操作间隔需求。当j>i，W(modej)>W(modei)。如图5（b），显示了不同写模式下， VISPP的缩放比。如在W(mode4)模式下，写操作时间延长1倍，VISPP大大的减小。

• 动态编程扩展可以很容易的整合在NAND控制器中，同时时间、空间代价都很小。NAND芯片中，为了满足最坏情况下的数据存储需求，M_Pi往往足够大。如图5（c）显示了在不同的磨损次数下M_Pi的缩放比。

3.3.3 擦除时间对NAND寿命的影响

• 当擦除一个NAND块时，需要对这个块施加一个电压。在擦除操作的最初，若立即施加一个高电压（擦除电压+阈值电压），这个电压会对芯片氧化层造成很大的损伤。若在擦除操作的最初，对块施加一个较小的电压，然后慢慢增大这个电压的值，既可满足擦除需求，也可减小芯片的损坏，但同时擦除时间会增大。

• 如上图6（a），显示了擦除时间与有效磨损的关系。其中，ESmode_fast、ESmode_slow表示两种擦除模式。可知，当擦除时间增大300%即为正常擦除时间的400%时，磨损减少了19%。图6（b）表示了不同擦除电压下，两种擦除模式下的磨损。在不同的写操作时间（短-长）需求下，擦除模式也不断连续变化（快-慢）。故根据即将到来的写请求估算所需的擦除模式，是很重要的。

• 模型：支持DPES的NAND块的NAND耐久性模型。如下图7，显示了最快擦除模式和最慢擦除模式下的有效磨损。ESmode_fast不能增加NAND的耐久性，ESmode_slow可增大NAND的耐久性。

3.4 AutoFTL方案实施

• 在NAND耐久性模型上实现autoFTL，即DPES-aware FTL，它可根据写操作吞吐率的需求，动态改变写/擦除模式；并使用页级映射，同时支持DPES。总体构架见下：

• AutoFTL的核心模块：DPES管理器，它为写操作选择写模式Wmode_i，为擦除操作选择擦除电压模式EVmode_j和擦除速度模式ESmode_k。使用一个Circuler Buffer，评估写操作吞吐率的需求，为DPES管理器提供选择依据。
  扩展的映射表包含：NAND参数表、Per-Block Mode表、地址映射表。Per-Block Mode表记录每个块的当前写模式和有效磨损次数。NAND参数表为当前写模式和擦除模式选择合适的设备参数，通过新的设备接口DeviceSettings传递给NAND芯片。
  AutoFTL中，写模式选择器根据CircularBuffer估计写操作间隔，下表1显示了循环缓存利用率与写模式的关系。

• 扩展的映射表中，Per-Block Mode表记录块的5个链表（在5中擦除电压模式下）。当写操作到来，DPES管理器选择一种写模式，Per-Block Mode表的相应链表指向写操作被分配的块地址，DPES通过NAND参数表 将各种参数传递给NAND芯片。
  AutoFTL的擦除电压模式：由循环缓存使用率决定，并依照表1示。缓存使用率的计算：将〖10〗^5个写操作分为100组，每个组1000个写操作，分别计算每个组的平均使用率A0~A99，则缓存使用率为（A0+A1+···+A99）/100.

• AutoFTL的擦除速率模式：由块擦除时间对缓存使用率的影响决定，当 缓存无溢出（有效缓存小于100%）时，擦除速率模式使用ESmode_slow，否则使用ESmode_fast。
• 垃圾回收时，缓存的有效使用率为：u^*= u + ∆u^copy。其中，u为缓存当前使用率，∆u^copy为擦除块中有效页对缓存使用率的影响。
  磨损均衡器：衡量NAND芯片磨损的指标是有效磨损次数。

4、方案的结果

4.1 测试环境

测试环境：扩展的FlashBench，支持DPES。
每个NAND芯片有128个块，每个块128个页，每个页大小为8KB。正常写页时间：1.3ms；擦除块时间：5.0ms。
两种环境：基于安卓的智能手机；企业服务器。
两种技术：baseline（不支持DPES）和autoFTL
Trace：8种。

4.2 测试结果及分析

下图显示了8种trace下，baseline和autoFTL的〖MAX〗(P/E)。图9可得：企业级环境（前6个trace）下，相比于baseline，autoFTL的〖MAX〗(P/E)提高了69%；手机环境（最后2种trace）下，autoFTL的〖MAX〗_(P/E)提高了38 %。

图10显示了8种trace下，baseline和autoFTL的吞吐率。可得相比于baseline，autoFTL的写操作吞吐率下降了不到2.2%。

由上验证可得：autoFTL可明显提高NAND flash的寿命，且对系统性能的影响很小，可忽略。

5、方案的优缺点

• 优点：（1）提出DPES管理策略，通过减小擦除电压和延长擦除时间，得到延长NAND flash寿命的目的。（2）添加了新的设备接口：DeviceSetting，将选择的不同模式下的参数传递给设备。（3）研究NAND 寿命与擦除电压速度（固件级，亦软件级）间的联系。从NAND flash的芯片内部特征，提出全新的延长寿命的策略。

• 缺点与思考：（1）DPES管理策略在选择各种模式（擦除电压模式、擦除速率模式、写操作模式）时，大都用缓存利用率来衡量，不足够精确。（2）在不同的环境下，各种模式（擦除电压模式、擦除速率模式、写操作模式）的具体值如何设置？