這是我主要講的內容，一方面關于閃存的發展，從2D平面閃存到3D閃存的過程。另一方面重點介紹3D閃存可靠性方面所做的部分研究工作，主要涉及LDPC糾錯碼的存儲優化，制程差異的可靠性優化兩個方面的技術，最后對本報告進行一個總結。

2D平面閃存主要有兩個發展方法：

一是尺寸的縮小，我們觀察到的2D閃存的推出產品的最小尺寸是14nm，關于尺寸的縮小的最近的工作要追溯到2016年，由三星發布14納米制程2比特存儲元，之后沒有看到2D儲存上的縮小。

二是從單個存儲元比特個數的增加，也就是單存儲元里面可以存儲更多的比特，最新的工作則是2013年臺灣旺宏推出的6比特每存儲元在45納米下的技術。以上兩種技術到目前為止基本上已經終止，這是因為他們的發展會導致可靠性和性能的嚴重下降。所以，從2006年開始3D閃存的概念開始進入我們的視野。

具體我們來看一下，我把3D閃存的發展分成兩個階段，一個是理論階段，二是產品階段。

從2006開始提出3D閃存概念以來，多種3D閃存架構已經見諸報端。包括Stacked NAND，BICS，P-BICS以及TCAT等等，但是在2012年之前，這些架構依然處在驗證和樣品階段，并未進入實際產品階段。之后由東芝提出的架構真正開始實現可用，然后出現了東芝后續提出的和三星提出的多種類型的架構。

2013年開始出現產品，2013年三星公司在ISSCC大會上發表了第一個產品級的3D NAND閃存產品，它是采用24層的TCAT架構，單個存儲元2個比特的結構所構成，而后經歷了32層，48層，64層，到今年的96層。明年將會是128層，他們普遍采用的是TLC，這是一個很有意思的特點。而存儲元的比特個數也從2比特發展到最新的4比特。未來單芯片的存儲容量將高達數Tb的容量。

剛才講的是從2D到3D發展過程，下面我們看一下3D存儲介質的特征。存儲介質可以大致分為兩類，一類是Floating Gate（浮柵）存儲元，一類是Charge Trap（電荷擷?。┐鎯υ?。其中FG存儲元通過在半導體中寄存電子的方式實現數據存儲，氧化層實現數據非易失。而CT存儲元則是通過絕緣體的方式實現電子存儲。這個圖中，我們可以看到FG的尺寸普遍來說，要比CT的大一些。原因在于CT是絕緣體，他對氧化層的厚度要求低很多，所以CT的擴展性要比FG好很多。而且由于是絕緣體，他對存儲元間的干擾等都有較好的特性。

從存儲元堆疊方式來看，目前我們調研發現比較常用的是兩種架構，一種是東芝提出的BICS架構，這種架構后續有一個改進的架構叫P-BiCS架構，這種架構是東芝在2007年提出的，另外一種架構是有三星提出的TCAT架構，這種架構是有三星在2009年提出的，并在2013年首次推出基于TCAT的24層V-NAND閃存。其他的廠商的還包括Intel，美光，海力士，旺宏以及長江存儲。但是根據我們的調研，大部分遵從的架構還是以上兩種堆疊方式。當然還有一些其他的堆疊方式，比如臺灣旺虹很長時段都在研究VG（Virtical GATE）堆疊方式。

簡單介紹了3D閃存的組織過程，從存儲元開始，通過堆疊的方式形成Wordline，然后wordline組織形成陣列，最后陣列組織形成芯片。比如這邊就展現的是一個BICS的架構，最終構建一個雙Plane的結構。簡單來說，通過這種堆疊的方式形成的3D閃存能夠實現存儲密度極大地改善。特別是隨著堆疊層次的提高，密度不斷提高。

隨之而來的就是可靠性問題了。我們關注的特征主要是四個方面：一是電子泄露，二是編程干擾，三是讀干擾，四是制程差異。

3D閃存可靠性特征—是電子泄露，初始電子快速逸出，數據寫入后10秒內會出現一個快速的電子逸出然后進入平穩階段，什么原因呢？是由于CT存儲元氧化層較薄，嵌入在CT里面的電子會快速逸出了。第二個是溫度異常導致的，溫度對可靠性影響會非常大，這是2D和3D的對比，我們可以看到3D閃存對溫度的影響非常激烈，電子電壓的偏離呈現指數級的波動，溫度是非常難以解決的問題。

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二是編程干擾，相對于平面閃存，3D閃存會額外出現兩種新型的編程干擾，一種是Y方向的，一種是XY方向的，最終導致電壓升高，電壓升高的結果是數據翻轉，這個工作臺灣旺虹公司和臺灣中央研究院的張原豪教授在此方面有多年的研究。

第三，在讀干擾方面，讀數據的時候會在被讀的地方增加一個電壓，比編程電壓小一點，在不斷的讀，次數超過幾千次、上萬次的時候就會不小心的往存儲元里面注入一些電子，我們做的一組實驗，3D閃存單個Block，我們做的一個什么實驗？我們把Word Line，以前一個Block只會讀100次，而現在要讀到100萬次，也就是讀的干擾增長了1萬次，所以在3D閃存上讀干擾要想盡各種辦法解決。

第四，3D制程差異，第一是閃存塊內的制程差異，一個閃存塊里面的數個頁之間可靠性差異高達數10倍，3D閃存里面又存在結構性的差異，也就是說不同的層次之間中間存儲層的寬度不一樣，越往上越寬，越往下越窄，這樣就導致可靠性和性能方面存在很大的差異，這些差異必須在系統級進行優化。這就是我給大家介紹的，要在系統級里面考慮的四個關鍵問題。

在3D閃存中，LDPC基本上是標配了，很多同事跟我講，我不覺得3D閃存的可靠性比2D差，3D閃存在普通環境下比2D好很多，但是極端環境下、高溫環境下、大量讀寫的環境下可靠性非常差。LDPC采用的是概率糾錯的方式，也就是會根據存的數據，最后讀出來能夠分析出數據的準確度到底有多大來確定，這些信息必須經過LDPC的一個解碼過程，這個過程會導致性能的損傷。

這是ISPP的編程方式，使用不同的編程步幅，可靠性會出問題，LDPC解碼的時候獲取輸入信息要通過多次尋找這個電壓在哪個范圍，只有非常清楚數據以后糾錯能力才會上來，多次測試的結果就是要多次的讀，也就是說讀延遲要下降21倍，這還不是最嚴重的，讀21次產生的是21次讀干擾，也就是說優化LDPC成為解決3D閃存可靠性的關鍵問題。

我們根據這些特征做了兩個方面的工作，第一是基于LDPC結合閃存錯誤特征的優化，第二是根據LDPC解碼特征和應用訪問行為做的工作。

電壓狀態之間錯誤是非對稱的，實際上那兩個狀態之間的錯誤會非常大，這兩個狀態之間的錯誤非常小，因為那個地方輸入的電子非常多，容易泄露，所以那個地方容易出錯。第二，電壓狀態內部錯誤非對稱，這個非對稱是什么意思？

比如說這個狀態左偏和右偏的錯誤率不一樣，一般右偏是因為擦寫數過多，電壓下降的原因是電子泄露導致的，這種情況下就會出現大量的右偏。所以，保存時間越長右偏概率就會越長。

我們的做法非常簡單，根據狀態之間的差異，比如說這兩個狀態之間的錯誤率很低，我就沒必要放那么多，根據左偏右偏的狀態確定是往那邊多放一點。實驗結果證明，讀性能在最壞的情況下達到60%的提升。

這個工作利用ISPP編程速度的特征進行優化，這個圖講的是ISPP編程步幅比較大的時候可靠性比較差，我們做了一個實驗，用非?？斓膶懰俣扰芤幌滦阅艿降自趺礃?，用慢的寫速度跑一下性能怎么樣，最后跑出來發現什么特點？慢的寫性能寫速度會下降60%，而慢的讀速度會下降114%，這樣就非常嚴重，我們設計了一個方法，怎么能夠既利用快速寫，也能夠利用快速讀呢？

我們分析了，我們得出來一個非常驚人的結果，發現大部分的讀請求發生只讀的數據，大部分寫請求發生在了只寫的數據上來，也就是說這個數據要么只讀，要么只寫，一旦拿到這個結果剛才的數據就很容易用上，我們發現有85%的數據只讀，91%的請求只寫，其中只有3%的數據會交錯的讀寫。我們把只讀的數據用慢速度寫進去，只寫的數據用快速度寫。

我們的做法很簡單，就是怎么判斷這個速度只讀還是只寫，用一個比特就可以做到這個工作，判斷上次是讀還是上次是寫，如果上次是讀這是也是讀，我們就認為它是只讀，判斷的成功率高達97%，只需要一個比特就夠了。通過這樣的簡單方式在幾乎沒有任何開銷的情況下讀性能和寫性能都改善的目標。

接下來我介紹一下制程差異，我相信各位比較了解，特別是做消費級產品的朋友，你們應該也了解到制程差異是一個嚴重的問題，無論是企業的MLC的，還是消費級的，都存在嚴重的制程差異，有人可能會覺得我是危言聳聽。不同的block之間差異非常大，學術界也測了數據，嚴重的情況下有數10倍的可靠性差異，這種差異必須要在設計的過程中充分考慮怎么利用起來，我了解到華為內部以及IBM和三星都有相應的測試，我們基于制程差異改變寫性能的優化方案，在有較大制程差異的情況下，能否實現，我們的做法很簡單。在較強的編程步幅里面使用，怎么做到的？我們提出了兩個問題，

第一，怎么制程差異是閃存的固有屬性，如何能夠在線識別？基于編程速度支持的識別方法。

第二，基于分級的數據分配方法，將熱數據分配到較強的閃存塊，冷數據分配到較弱的閃存塊里面。是讀性能怎么優化？主要考慮到LDPC的特征，這是現在普遍的，如果有嚴重PV的情況下，傳統數據的布局完全不會考慮到底是放在哪里的，會將熱寫的數據放在，我們是將一些熱讀的數據放在，傳統的方法在讀性能上的表現是這樣的，我們的方法讀性能的表現是這樣的。因為我們兼顧了熱讀數據應該布局在什么地方的方法。識別制程差異，基本思想：基于LDPC的讀Ertry的差異在線識別方法，將retry，我們進行了分組的方式，實驗只用了兩個組就可以達到高達60%性能的改善?；谥瞥滩町愄卣鞯臄祿植?，基本思想：將熱讀的數據放入較強的閃存塊，將較冷的數據放入較弱的閃存塊。但是判斷數據讀的冷熱需要較大的開銷。我們采用了數據在線冷熱的自動識別法，這是以上四個工作涉及到的學術論文。

總結與展望，3D閃存將在不同的領域，包括多媒體終端、消費級產品、個人電腦以及大數據服務中心廣泛應用。解決3D閃存可靠性是進一步推廣3D閃存應用領域發展的關鍵，結合機器學習的3D閃存可靠性優化將成為更具優勢的思路。未來包括3DXpoit、STT—RAM等新興的非易失性存儲將將會廣泛結合3D閃存成為重要的方向。

?最后，給大家介紹一下我本人的情況，我研究存儲技術到今天為止已經整整10年了，從2008年到現在重點關注的就是閃存存儲技術的研究。主要分成四個方面：存儲可靠性關鍵技術研究、高性能固態存儲系統研究、智能手機存儲系統研究，新型非易失性存儲技術研究。

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