我們用擴(kuò)展的香農(nóng)的理論分析存儲(chǔ)，這時(shí)候我們就發(fā)現(xiàn)其科學(xué)道理很清楚了：什么是可靠的存儲(chǔ)？讀出的信息完全復(fù)現(xiàn)寫入的信息，但是它是經(jīng)過(guò)一個(gè)信道，這個(gè)信道不是跨越空間的信道，而是跨越時(shí)間的信道。如果我們把通訊理論向時(shí)間軸上拓展，它就變成存儲(chǔ)的理論。

對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)的基本要求是時(shí)間穩(wěn)態(tài)，要在時(shí)間上保持，但是時(shí)間信道是有噪聲的，我們刻在石頭上、寫在竹簡(jiǎn)上、刻在光盤上的東西會(huì)有時(shí)間信道的噪聲，會(huì)隨著時(shí)間的老化而磨損、受損，這些都是屬于時(shí)間信道的噪聲。

我們今天講閃存，閃存的存儲(chǔ)原理是電荷要保持時(shí)間穩(wěn)態(tài)，把電子拉到浮柵里面它就是“0”，沒(méi)有電荷的時(shí)候就是“1”。如今，閃存的容量越來(lái)越大，這就是為什么閃存會(huì)逐漸取代硬盤。

閃存現(xiàn)在基本上采用三條技術(shù)路線，一個(gè)是減小線寬，第二是單元多bit，第三是3D堆疊，這幾個(gè)因素對(duì)可靠性帶來(lái)的影響是什么？

線寬變窄了每個(gè)單元就變小了，單元電荷就變少了，電荷少了泄露后對(duì)電位的影響就特別大。窄了以后干擾也大，隧道氧化層變薄。用一個(gè)單元存多個(gè)bit，圖上藍(lán)色的是TPC的比率，它會(huì)越來(lái)越多，如此其讀、寫、擦出的時(shí)間都變長(zhǎng)，變得越來(lái)越不可靠。3D堆疊可以減緩線寬，但是會(huì)產(chǎn)生層間的干擾，這也是一個(gè)問(wèn)題。

如今越來(lái)越不可靠的閃存介質(zhì)，時(shí)間信道的噪聲越來(lái)越大，如此，我們?cè)趺从迷絹?lái)越不可靠的介質(zhì)構(gòu)建一個(gè)可靠的系統(tǒng)？這就是今天的主題。

在香農(nóng)的理論框架下，首先要想辦法減少噪聲，如果一個(gè)信道完全沒(méi)有噪聲，寫進(jìn)去讀出來(lái)就是完全一樣的。但是現(xiàn)在噪聲越來(lái)越大，所以我們第一點(diǎn)是要盡量降低時(shí)間信道的噪聲，如果降到不能再降了還有噪聲就要用有效的編碼來(lái)保證可靠性。

有了理論框架這個(gè)問(wèn)題就不是很復(fù)雜了。

第一降低信道噪聲。

第二采用編碼。

通訊的信號(hào)隨著距離的增加而衰減，信噪比增加。降低噪聲采用的措施是中繼和放大，我們分析一下，閃存介質(zhì)是一個(gè)不簡(jiǎn)單又不優(yōu)美的介質(zhì)，電荷泄露要考慮的因素很復(fù)雜，所以很多情況下就要分析和處理的情況太多，很復(fù)雜。

當(dāng)然，這也為各廠家顯示技術(shù)實(shí)力提供了舞臺(tái)，同樣的介質(zhì)不同的廠家的固態(tài)盤產(chǎn)品會(huì)有較大的差別，路遙知馬力，后期的性能、鋪靠性、壽命有很大的差別。

時(shí)間信道的噪聲是閃存不可靠的來(lái)源。

第一是工藝缺陷，第二是電荷泄露，最重要的就是擦寫磨損，P/E是最需要注意的，還有讀寫的干擾。?磨損均衡，最好的效果是均衡地讓每一塊壽命都耗盡，直至徹底失效，第二是減小寫放大，第三是減小位間和層間干擾，第四是用Chorge Trap（電荷捕獲）代替金屬浮柵，減少泄露。

降低信道噪聲更細(xì)致的技術(shù)，第一考察塊之間的不均衡性，強(qiáng)塊和弱塊區(qū)別對(duì)待，進(jìn)一步挖掘介質(zhì)潛力，挖掘空間分布的潛力。

第二是全生命周期管理，不同的階段不同對(duì)待，剛開(kāi)始的錯(cuò)誤很少，后面磨損的比較厲害了就需要加強(qiáng)，剛才是挖掘空間的潛力，現(xiàn)在是挖掘時(shí)間的潛力。

第三減少讀干擾和編程干擾的新方法。

第四用編程誤碼率作為均衡指標(biāo)，反映更真實(shí)的磨損狀態(tài)。

第五通過(guò)新的FLT減小寫放大。

第六為位置感知重分布。

我們對(duì)3D閃存芯片內(nèi)部差異性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)差別是很大的，研究成果發(fā)表在sigmetrics雜志上。錯(cuò)誤模式的研究，研究變成干擾、讀干擾、寫錯(cuò)誤，用合適的pattern進(jìn)行寫入也可以減少磨損。這些細(xì)節(jié)大家可以看我們的論文。

第一是降低噪聲。

二是采用更好的糾錯(cuò)編碼。現(xiàn)在的LDPC有很多改進(jìn)，我們這里做了一些研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)編碼，它可以使碼源錯(cuò)誤降低30%，還有自適應(yīng)能力，針對(duì)剛開(kāi)始錯(cuò)誤比較少的時(shí)候和后期錯(cuò)誤比較多的時(shí)候，采用不同能力的糾錯(cuò)編碼。

我下面還要介紹一下我們一個(gè)新的研究，叫耗散結(jié)構(gòu)——?jiǎng)討B(tài)超可靠系統(tǒng)。什么意思？心跳平均每分鐘跳70次，一天跳10萬(wàn)次，一年跳3650萬(wàn)次，70年跳26億次，但是世界上沒(méi)有任何一種材料可以經(jīng)得起26億次的疲勞測(cè)試。

但心臟為什么可以？

心肌并不是高可靠材料，關(guān)鍵在于它是一種耗散結(jié)構(gòu)，就是說(shuō)它有物質(zhì)能量不斷的進(jìn)入，保持一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞工作一段時(shí)間就新陳代謝了，它永遠(yuǎn)是很健康的。

它可以新陳代謝，但是總體結(jié)構(gòu)不變，這是一種動(dòng)態(tài)的超可靠系統(tǒng)，如果我們把這個(gè)思想用到存儲(chǔ)系統(tǒng)上，就是不可靠不要緊，但是有進(jìn)有出，就可以保持穩(wěn)定，這是上帝的智慧，或者是大自然的智慧。

耗散存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本思想，就是快不行的時(shí)候把它傳譯一下，簡(jiǎn)單的說(shuō)是這樣的，但是我們還要把科學(xué)道理講清楚，把理論建立起來(lái)，我們系統(tǒng)的研究了一下?；舅枷胧窃诖鎯?chǔ)單元即將失效之前，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到新的存儲(chǔ)單元，使數(shù)據(jù)總是在健康的介質(zhì)中保存。對(duì)數(shù)據(jù)而言，其保存它的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了新陳代謝，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的超可靠性。

這與糾錯(cuò)的概念有本質(zhì)的不同，糾錯(cuò)碼和盤鎮(zhèn)技術(shù)都是存儲(chǔ)單元壞了，數(shù)據(jù)丟了以后，通過(guò)編碼糾錯(cuò)，算出正確的數(shù)據(jù)，然后再恢復(fù)。而且恢復(fù)的時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì)時(shí)間使用長(zhǎng)的系統(tǒng)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是老化狀態(tài)了，這時(shí)候就比較危險(xiǎn)，像磁陣列這樣，平均壽命是5年，都快到5年了快幾個(gè)盤的概率大大上升，所以新系統(tǒng)和老系統(tǒng)在前期和后期的危險(xiǎn)性是非常不一樣的。

耗散性系統(tǒng)有哪些關(guān)鍵性技術(shù)？

第一準(zhǔn)確預(yù)測(cè)存儲(chǔ)單元什么時(shí)候失效。以前測(cè)不準(zhǔn)，測(cè)早了時(shí)間沒(méi)有到，浪費(fèi)了資源，晚了數(shù)據(jù)就丟了。存儲(chǔ)單元的顆粒有bit、Byte、word、page、block、die、chip、Drive、note，其中Block和Drive適合用這種方法。

判斷的標(biāo)準(zhǔn)是基于當(dāng)前比較熱的機(jī)器學(xué)習(xí)，我們也做了一個(gè)工作，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練，這是我們對(duì)3D閃存的預(yù)測(cè)，橫坐標(biāo)是P/E，縱坐標(biāo)是保持的時(shí)間。我們預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率初步的超過(guò)了92%，預(yù)測(cè)負(fù)載準(zhǔn)確率超過(guò)98%，我們的研究還有很大的空間。

如果通過(guò)介質(zhì)預(yù)測(cè)什么時(shí)候壞，通過(guò)負(fù)載預(yù)測(cè)什么時(shí)候進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通過(guò)這兩個(gè)預(yù)測(cè)就可以知道介質(zhì)什么時(shí)候壞。預(yù)測(cè)準(zhǔn)了，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)警轉(zhuǎn)移技術(shù)，這是工作區(qū)域，把新盤放到這里，假如我預(yù)測(cè)它一個(gè)星期以后要壞，我可以有一個(gè)星期的時(shí)間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)以后我就把數(shù)據(jù)遷移到新盤中，一旦遷移完了我就告訴它這個(gè)盤的任務(wù)完成了，就到旁邊的池子里，完全淘汰了。

淘汰以后就把新盤拔下來(lái)放進(jìn)去，這樣就形成新陳代謝，保證非常好的可靠性。這樣就更加沒(méi)有性能降級(jí)的說(shuō)法了，不需要恢復(fù)數(shù)據(jù)，整體保持在健康的狀態(tài)下。這非常適合用于數(shù)據(jù)中心，免維護(hù)的，一旦進(jìn)入淘汰池了換掉就完了，而且新介質(zhì)的速度、可靠性比老盤要高，不斷得用新盤換舊盤，系統(tǒng)和容量都產(chǎn)生了凈化，所以我們叫可凈化的耗材存儲(chǔ)技術(shù)，這個(gè)技術(shù)以后可以用機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了超高的可靠性，這些都是理論，我們需要和廣大的企業(yè)合作，把它用到實(shí)踐當(dāng)中。

總結(jié)一下，閃存芯片隨著工藝制程、單元多bit、3D堆疊技術(shù)的進(jìn)步，容量的迅速提高，但可靠性越來(lái)越差。如何用不可靠的芯片來(lái)構(gòu)建可靠的系統(tǒng)，是每一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的問(wèn)題。在香農(nóng)的理論框架下，主要是通過(guò)降低時(shí)間通道的噪聲和采用更強(qiáng)的糾錯(cuò)編碼進(jìn)行。建立耗散存儲(chǔ)系統(tǒng)超可靠體系框架，使存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)新陳代謝，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的超高可靠。（本文根據(jù)武漢光電國(guó)家研究中心教授謝長(zhǎng)生教授，在2018全球存儲(chǔ)半導(dǎo)體大會(huì)暨全球閃存技術(shù)峰會(huì)的主題演講，整理而成。未經(jīng)過(guò)本人審閱。）

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