NAND閃存磨損均衡技術(shù)專利綜述

李嬌

【摘 要】NAND閃存以其高訪問(wèn)速度，易集成化以及低功耗等特性成為應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)介質(zhì)。磨損均衡技術(shù)對(duì)于延長(zhǎng)NAND閃存的壽命，提高閃存塊的使用效率起到重要的作用。本文通過(guò)分析NAND閃存磨損均衡技術(shù)是否考慮冷數(shù)據(jù)的均衡對(duì)磨損均衡技術(shù)進(jìn)行分類，并從分類所得的技術(shù)分支對(duì)NAND閃存磨損均衡的專利技術(shù)進(jìn)行了綜述。

【關(guān)鍵詞】NAND閃存 磨損均衡 損耗均衡 延長(zhǎng)使用壽命

1 閃存磨損均衡技術(shù)概述

1989年，東芝公司發(fā)表了NAND結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，追求更高的性能，并被大量應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備和嵌入式設(shè)備中。NAND閃存是由一定數(shù)量的塊組成的，物理塊是擦除的最小單位，而讀和寫(xiě)都是以頁(yè)為單位。寫(xiě)操作只能在空白塊或者已擦除的塊內(nèi)進(jìn)行，并且每個(gè)擦除塊的擦除次數(shù)有限，一般是在10萬(wàn)次到100萬(wàn)次之間。所以需要運(yùn)用磨損均衡算法使擦除操作平均地發(fā)生在各個(gè)塊上。

磨損均衡算法的核心是在每次寫(xiě)操作時(shí)將新數(shù)據(jù)寫(xiě)入到最少被使用的物理塊中，來(lái)達(dá)到整個(gè)固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)的擦除次數(shù)均衡，從而可以大大提高整個(gè)固態(tài)硬盤(pán)的壽命。

2 NAND閃存磨損均衡技術(shù)專利實(shí)證分析

專利信息實(shí)證分析是從專利文獻(xiàn)中采集專利信息，對(duì)其主要指標(biāo)進(jìn)行加工、整理和分析，這些主要指標(biāo)包括如技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析、年度趨勢(shì)分析、申請(qǐng)人（發(fā)明人）分析、技術(shù)分支分析等等。本文首先確定所需的專利檢索的關(guān)鍵詞和分類號(hào)，檢索出形成本文分析所需的中英文專利申請(qǐng)共111篇文獻(xiàn)，其中中文文獻(xiàn)77篇，英文文獻(xiàn)34篇，并標(biāo)引分析。

2.1 申請(qǐng)時(shí)間和數(shù)量

分析得出國(guó)內(nèi)外NAND閃存磨損均衡技術(shù)專利申請(qǐng)隨時(shí)間的申請(qǐng)量的變化的分析結(jié)果如圖2-1-1所示。可以看出近幾年來(lái)，隨著NAND閃存磨損均衡的技術(shù)的發(fā)展，NAND閃存磨損均衡領(lǐng)域的創(chuàng)新活動(dòng)也越來(lái)越活躍，NAND閃存磨損均衡專利技術(shù)年度申請(qǐng)量快速增加。

2.2 主要技術(shù)分支和數(shù)量

分析得出國(guó)內(nèi)外NAND閃存磨損均衡技術(shù)專利申請(qǐng)的主要技術(shù)分支的分析結(jié)果如圖2-2-1所示。針對(duì)NAND閃存磨損均衡技術(shù)專利申請(qǐng)的研究，主要分為兩個(gè)技術(shù)分支：動(dòng)態(tài)磨損均衡技術(shù)和靜態(tài)磨損均衡技術(shù)。從圖可知，靜態(tài)磨損均衡技術(shù)和動(dòng)態(tài)磨損均衡技術(shù)的申請(qǐng)量均呈現(xiàn)一個(gè)逐年增長(zhǎng)的情況。

3 NAND閃存磨損均衡的主要分類與分析

本章將從上述兩個(gè)技術(shù)分支對(duì)檢索得到的111篇國(guó)內(nèi)外關(guān)于NAND閃存磨損均衡技術(shù)的專利申請(qǐng)進(jìn)行具體分析。

3.1 動(dòng)態(tài)均衡磨損技術(shù)

動(dòng)態(tài)磨損均衡技術(shù)側(cè)重于更新數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)目標(biāo)物理頁(yè)的選擇，是將新版本的數(shù)據(jù)寫(xiě)到別的頁(yè)上去，原來(lái)的數(shù)據(jù)標(biāo)示為無(wú)效，那么存放無(wú)效數(shù)據(jù)的頁(yè)在垃圾回收時(shí)就能得到擦除的機(jī)會(huì)。代表性專利為：CN200610113624。而對(duì)于更新的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入替換塊里，然后將原塊鏈接到垃圾鏈里面。

3.2 靜態(tài)磨損均衡技術(shù)

如果某塊上存放的都是更新頻率很低的靜態(tài)數(shù)據(jù)或稱為“冷”數(shù)據(jù)，故其上出現(xiàn)的臟頁(yè)很少，結(jié)果這個(gè)塊的擦除次數(shù)要明顯小于別的塊，導(dǎo)致?lián)p耗的不均衡性，為解決這一問(wèn)題，即出現(xiàn)了靜態(tài)磨損均衡算法。靜態(tài)磨損均衡技術(shù)按照在處理過(guò)程中是否帶有隨機(jī)性，分為隨機(jī)性技術(shù)，以及在處理過(guò)程中不帶有隨機(jī)性的確定性技術(shù)。

隨機(jī)性磨損均衡技術(shù)，其處理思想基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，算法中的隨機(jī)參數(shù)多采用均勻的概率分布，通過(guò)大量處理來(lái)實(shí)現(xiàn)損耗的均勻分布。代表性專利是：US20010870315。

確定性磨損均衡技術(shù)，記錄各個(gè)物理塊的擦除次數(shù)和塊上存放數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)短等一些能做出磨損均衡處理決定的信息，用這些信息來(lái)做出明確的處理決定。確定性磨損均衡技術(shù)又可以分成兩類：靜態(tài)周期型確定性磨損均衡技術(shù)和靜態(tài)全局型確定性磨損均衡技術(shù)。

靜態(tài)周期型確定性磨損均衡技術(shù)將閃存壽命看做是由一個(gè)個(gè)的磨損均衡處理周期構(gòu)成的。在一個(gè)處理周期中，已達(dá)到規(guī)定的擦除次數(shù)的塊在這一輪周期中將不會(huì)再被選中，這樣就能使各個(gè)塊都達(dá)到相同的擦除次數(shù)。代表性專利是：CN201110161755。

靜態(tài)全局型確定性磨損均衡技術(shù)并不劃分處理周期，而是在一個(gè)全局范圍內(nèi)控制塊的損耗均衡。當(dāng)任何兩個(gè)塊的擦除次數(shù)之差超過(guò)一個(gè)給定的閾值時(shí)，或者當(dāng)某塊的擦除次數(shù)超過(guò)了所有塊的平均擦除次數(shù)時(shí)，啟動(dòng)磨損均衡處理，將擦除次數(shù)少的塊上數(shù)據(jù)和擦除次數(shù)多的塊上數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。代表性專利有：US20040799039。

4 技術(shù)綜述在審查實(shí)踐中的應(yīng)用

在撰寫(xiě)以上專利技術(shù)綜述的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)涉及動(dòng)態(tài)磨損均衡和靜態(tài)磨損均衡的的國(guó)內(nèi)外專利進(jìn)行集中收集、閱讀和梳理，在較短時(shí)間內(nèi)了解了該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，掌握了國(guó)內(nèi)外主要申請(qǐng)人的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，有效提高了對(duì)于專利申請(qǐng)發(fā)明點(diǎn)的把握，為后續(xù)的審查實(shí)踐中處理實(shí)際案例提供了指導(dǎo)和依據(jù)。