通過(guò)PO-KELM 的3D NAND FLASH壽命預(yù)測(cè)方法研究

摘 要： 隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，以及各種芯片國(guó)產(chǎn)化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，3D NAND FLASH 作為當(dāng)前存儲(chǔ)器件的重要代表，其壽命預(yù)測(cè)對(duì)于保障系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。因此，通過(guò)硬件搭建現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列采集平臺(tái)，對(duì)3DNAND FLASH 進(jìn)行特性分析，在不同擦除/寫(xiě)入次數(shù)下模擬FLASH 可能發(fā)生的不同誤碼情況，分析耐久性、數(shù)據(jù)保持特性以及讀、寫(xiě)干擾特性的變化趨勢(shì)。同時(shí)提出鸚鵡優(yōu)化器改進(jìn)的核極限機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)，由于核極限學(xué)習(xí)機(jī)參數(shù)尋優(yōu)困難，鸚鵡優(yōu)化器通過(guò)搜索位置提高參數(shù)尋優(yōu)速度和準(zhǔn)確度。采用將已使用的循環(huán)次數(shù)作為輸出結(jié)果對(duì)FLASH進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比其他機(jī)器學(xué)習(xí)，采用鸚鵡優(yōu)化的核極限學(xué)習(xí)機(jī)預(yù)測(cè)模型精度可以達(dá)到98.5%，在提升訓(xùn)練速度和準(zhǔn)確度中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞： 3D NAND FLASH; 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）; 機(jī)器學(xué)習(xí); 鸚鵡優(yōu)化器（PO）; 核極限學(xué)習(xí)機(jī)（KELM）

中圖分類(lèi)號(hào)： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2024）09–0074–09

0 引 言

FLASH 作為一種被廣泛應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域存儲(chǔ)設(shè)備中的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，具有低能耗、高速度、小體積等優(yōu)勢(shì)。隨著對(duì)數(shù)據(jù)容量需求的增大以及特征尺寸的逐漸縮小，同時(shí)受到陣列架構(gòu)和工藝制程等制約，導(dǎo)致3D FLASH 在存儲(chǔ)陣列集成度上增大的同時(shí)可靠性與壽命有一定的下降，且失效機(jī)制更為復(fù)雜。盡管一些廠家在出廠時(shí)給出了FLASH的壽命時(shí)間，即可進(jìn)行擦寫(xiě)循環(huán)的次數(shù)，但在實(shí)際使用過(guò)程中，不同使用環(huán)境、使用頻率下的FLASH壽命與產(chǎn)品規(guī)格所給出的數(shù)值相差甚遠(yuǎn)，造成了部分閃存塊資源的浪費(fèi)或提前失效造成數(shù)據(jù)丟失。因此如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FLASH 的壽命顯得十分迫切。

對(duì)此，眾多研究者通過(guò)對(duì)FLASH 的失效機(jī)制進(jìn)行分析，通過(guò)線性回歸、機(jī)器學(xué)習(xí)等模型對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[1-2] 通過(guò)研究擦寫(xiě)循環(huán)（P/E）、編程時(shí)間、擦除時(shí)間等數(shù)據(jù)特征，通過(guò)基因編程方法建立預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[3] 對(duì)比八種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，最終得出支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）預(yù)測(cè)模型最優(yōu)。文獻(xiàn)[4] 通過(guò)對(duì)缺失數(shù)據(jù)采用SVM 數(shù)據(jù)補(bǔ)償，并通過(guò)雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（RNN）和序列到序列模型（Seq2Seq）進(jìn)行預(yù)測(cè)，但其只對(duì)P/E 特征進(jìn)行研究，缺少其他干擾特征數(shù)據(jù)對(duì)FLASH 壽命的分析。文獻(xiàn)[5] 通過(guò)對(duì)3D TCLNAND FLASH 的不同編寫(xiě)和擦除的時(shí)間間隔和不同錯(cuò)誤模式分布的邏輯頁(yè)進(jìn)行錯(cuò)誤特征提取，并通過(guò)非機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建的短期壽命預(yù)測(cè)模型。

本文在上述成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析P/E 循環(huán)下冷數(shù)據(jù)與熱數(shù)據(jù)的特征情況，即存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)但不經(jīng)常讀取的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)時(shí)間短但讀取次數(shù)頻繁的數(shù)據(jù)在不同的P/E 次數(shù)下出現(xiàn)的錯(cuò)誤情況。通過(guò)核極限學(xué)習(xí)機(jī)（KELM）進(jìn)行模型訓(xùn)練，進(jìn)而對(duì)FLASH壽命預(yù)測(cè)。由于KELM 的性能取決于正則化系數(shù)和核參數(shù)且該參數(shù)無(wú)法自動(dòng)生成，因此，通過(guò)鸚鵡優(yōu)化算法（PO）對(duì)KELM 模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，來(lái)提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度及泛化能力。

1 FLASH 失效機(jī)制分析

通常情況下， 3D NAND FLASH 的壽命是指FLASH 發(fā)生不可糾正的錯(cuò)誤之前能承受的最大編程/擦除操作次數(shù)。與NAND FLASH 閃存存儲(chǔ)單元的可靠性和外圍電路的ECC 能力相關(guān)。3DNAND FALSH 采用堆疊結(jié)構(gòu)，隨著層數(shù)的增加，其存儲(chǔ)陣列和工藝的復(fù)雜導(dǎo)致失效機(jī)制也更為復(fù)雜，更容易發(fā)生存儲(chǔ)的信息比特發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致錯(cuò)誤比特位數(shù)增加，降低壽命。通過(guò)對(duì)3D NAND FLASH進(jìn)行特征數(shù)據(jù)采集，分析其失效機(jī)制。

1.1 耐久度（P/E 循環(huán)）

在3D NAND FLASH 存儲(chǔ)單元中，P/E 操作采用FN 隧穿原理（fowler-nordheim 隧穿）。隧穿層氧化物在進(jìn)行電子隧穿P/E 操作時(shí)，受高電場(chǎng)的影響，從而產(chǎn)生一些缺陷。經(jīng)過(guò)多次P/E 循環(huán)操作氧化物層磨損退化，隧穿層氧化物產(chǎn)生大量的缺陷，甚至形成電荷泄露通道，加劇輔助隧穿效應(yīng)（TAT 效應(yīng)）。本文通過(guò)對(duì)FLASH 進(jìn)行P/E 循環(huán)，每循環(huán)100 次，對(duì)FLASH 中數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并將讀取到的數(shù)據(jù)與寫(xiě)入的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)誤碼數(shù)（FBC）計(jì)算其誤碼率（RBER）。 當(dāng)前為立即讀取，即數(shù)據(jù)保持時(shí)間為0 min。如圖1 所示，隨著P/E 循環(huán)的增加，RBER 總體趨勢(shì)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的情況。

1.2 數(shù)據(jù)保持特性

數(shù)據(jù)保持特性是指數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在3D NANDFLASH 中數(shù)據(jù)不發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)的最長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間。本文對(duì)不同P/E 循環(huán)次數(shù)下的閃存塊，通過(guò)阿倫尼烏斯公式[6] 對(duì)其進(jìn)行高溫加速，使數(shù)據(jù)保持60 min，1 440 min，10 080 min，43 200 min 后讀取，與所寫(xiě)入的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得到不同的保持時(shí)間下的RBER，如圖2 所示。在采集循環(huán)初期，發(fā)現(xiàn)早期的誤碼率并非呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)樵赑/E 循環(huán)次數(shù)初期（如圖3 所示），氧化層磨損并不顯著，在一定的數(shù)據(jù)保持時(shí)間內(nèi)，存在其他的干擾因素造成誤碼的產(chǎn)生。當(dāng)氧化層磨損成為誤碼產(chǎn)生的主要因素時(shí)所呈現(xiàn)出的趨勢(shì)。即：隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，存儲(chǔ)單元中的各種泄漏機(jī)制以及隧穿氧化層出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞，存儲(chǔ)層中的電子以各種形式泄露，造成電荷量的下降，導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生左偏。