天碩（TOPSSD） G40系列工業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤采用自研主控及全鏈路國(guó)產(chǎn)化替代方案，可在 -40℃~85℃ 寬溫范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行；遵循國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，更能勝任嚴(yán)苛環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)任務(wù)。系列產(chǎn)品長(zhǎng)期服務(wù)軍用嵌入式計(jì)算機(jī)、指揮控制系統(tǒng)、雷達(dá)、電子對(duì)抗、軌道交通與高端工業(yè)自動(dòng)化等關(guān)鍵應(yīng)用，是艦載、機(jī)載、裝甲車輛等裝備的優(yōu)選核心部件。

摘要：本文將以通俗的語(yǔ)言解釋閃存閾值電壓分布圖的概念、繪制方法及其關(guān)鍵電壓。文章還介紹了分布圖在直觀理解閃存可靠性及診斷數(shù)據(jù)出錯(cuò)原因方面的作用。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)、軍規(guī)、航天等對(duì)可靠性要求極高的場(chǎng)景，闡述了天碩（TOPSSD）自研主控與固件的價(jià)值。

一、什么是閾值電壓分布圖？

我們可以把閃存芯片想象成由無(wú)數(shù)個(gè)小開(kāi)關(guān)（存儲(chǔ)單元）組成的陣列。每個(gè)開(kāi)關(guān)都有一個(gè)“門檻電壓”，也就是閾值電壓。如果我們?cè)陂_(kāi)關(guān)的控制端加一個(gè)電壓，當(dāng)這個(gè)電壓高于門檻時(shí)，開(kāi)關(guān)就導(dǎo)通（表示一種狀態(tài)）；低于門檻時(shí)，開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)（表示另一種狀態(tài)）。

對(duì)于一整個(gè)閃存頁(yè)，或者一條字線上的所有存儲(chǔ)單元，它們各自的門檻電壓并不完全相同。我們把這些門檻電壓統(tǒng)計(jì)一下：看看每個(gè)電壓值附近有多少個(gè)存儲(chǔ)單元，然后畫成一張圖。橫坐標(biāo)是電壓高低，縱坐標(biāo)是對(duì)應(yīng)的單元個(gè)數(shù)，這樣就會(huì)形成一座座“山峰”。這張圖就叫閾值電壓分布圖。

以 MLC 閃存為例，每個(gè)單元可以存 2 個(gè)比特，所以會(huì)有 4 種狀態(tài)。畫出來(lái)的圖就像四座分開(kāi)的山峰，分別叫 S0、S1、S2、S3。只要門檻電壓落在某一座山的范圍內(nèi)，這個(gè)單元就被認(rèn)為處于那個(gè)狀態(tài)。

二、怎么畫出這樣一張分布圖？

想象讀取一個(gè)閃存頁(yè)的過(guò)程：我們要讀的那個(gè)頁(yè)，在它的控制極上加一個(gè)參考電壓 V_READ；而其他不讀的頁(yè)，會(huì)加一個(gè)很高的通過(guò)電壓 V_PASS，確保它們無(wú)條件導(dǎo)通，不影響我們要測(cè)的單元。

要畫出分布圖，我們可以這樣做：先把 V_READ 設(shè)得非常小，然后一點(diǎn)點(diǎn)往上調(diào)。每次調(diào)高一點(diǎn)，就記錄下新導(dǎo)通了多少個(gè)存儲(chǔ)單元（也就是從“截止”變?yōu)椤皩?dǎo)通”的單元數(shù)）。電壓從低到高掃一遍，我們就能得到一連串增量數(shù)據(jù)。把這些增量作為縱坐標(biāo)，V_READ 作為橫坐標(biāo)畫出來(lái)，就得到了我們想要的閾值電壓分布圖。

圖上的幾個(gè)關(guān)鍵電壓

看著這張分布圖，有幾個(gè)重要電壓需要了解：

●    默認(rèn)讀參考電壓（V_R1, V_R2, V_R3）

它們位于相鄰兩座“山峰”之間的山谷處，用來(lái)判斷某個(gè)單元到底屬于左邊還是右邊的狀態(tài)。比如讀 MLC 的低位頁(yè)時(shí)，只需加一個(gè) V_R2；讀高位頁(yè)時(shí)，則需要先后加 V_R1 和 V_R3 來(lái)判斷。

●    編程驗(yàn)證電壓（V_PV1, V_PV2, V_PV3）

在寫數(shù)據(jù)時(shí)，我們是一邊充電一邊檢查的。比如想把一個(gè)單元從擦除態(tài) S0 編程到 S1，充一會(huì)兒電后，就在控制極加 V_PV1 電壓。如果此時(shí)單元還導(dǎo)通，說(shuō)明門檻電壓還沒(méi)超過(guò) V_PV1，需要繼續(xù)充電；如果不導(dǎo)通了，說(shuō)明已經(jīng)到達(dá) S1 狀態(tài)，后續(xù)編程就會(huì)把它保護(hù)起來(lái)，不再繼續(xù)充。

●通過(guò)電壓（V_PASS）

這個(gè)電壓加在那些不需要讀取的單元上，它的值比所有編程狀態(tài)的門檻電壓都高。這樣無(wú)論那些單元原本存的是什么數(shù)據(jù)，加上 V_PASS 后都一定會(huì)導(dǎo)通，相當(dāng)于把它們“旁路”掉，不影響我們讀取目標(biāo)單元。

三、分布偏移會(huì)導(dǎo)致讀錯(cuò)數(shù)據(jù)

理想情況下，各個(gè)狀態(tài)的山峰和讀參考電壓之間應(yīng)該有明顯的間隔，不能交疊。一旦交疊，用默認(rèn)的參考電壓去讀就會(huì)出錯(cuò)。

比如狀態(tài) S2 的山峰如果整體向左偏移，它的左半部分就可能跨過(guò) V_R2。這時(shí)，原本屬于 S2 的一些單元會(huì)被誤判成左邊的 S1 狀態(tài)，數(shù)據(jù)就讀錯(cuò)了。

為了保證可靠性，每種狀態(tài)的山峰與相鄰參考電壓之間都有一段安全距離。參考電壓左邊預(yù)留的距離，能容忍該狀態(tài)門檻電壓意外升高；右邊的距離，能容忍門檻電壓意外降低。這些距離越寬，芯片容錯(cuò)能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)越不容易出錯(cuò)。

然而，隨著每個(gè)單元存儲(chǔ)的位數(shù)越來(lái)越多（從 SLC 到 MLC、TLC、QLC），狀態(tài)數(shù)量成倍增加，山峰就越擠，安全距離越來(lái)越窄。哪怕?tīng)顟B(tài)只發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)偏移，都容易和參考電壓交疊，所以閃存的可靠性會(huì)明顯下降。

四、閾值電壓分布圖有什么用？

主要有兩大用處：

1、把抽象問(wèn)題變直觀

單純說(shuō)“從 SLC 到 QLC 可靠性越來(lái)越差”，你可能沒(méi)什么感覺(jué)。但如果把它們的閾值電壓分布圖擺出來(lái)，你會(huì)親眼看到：狀態(tài)數(shù)從 2 個(gè)變成 16 個(gè)，山峰密密麻麻擠在一起，間距越來(lái)越小。這時(shí)候你就很容易理解，為什么位密度越高越容易出錯(cuò)了。

2、診斷數(shù)據(jù)出錯(cuò)的原因

實(shí)際遇到閃存頁(yè)數(shù)據(jù)讀錯(cuò)時(shí)，我們把這個(gè)頁(yè)的分布圖畫出來(lái)，就能看出端倪：

●    如果整體山峰向左移，說(shuō)明是電子流失導(dǎo)致數(shù)據(jù)變?nèi)酰?/p>

●    如果向右移，說(shuō)明有電子意外注入；

●    如果各座山峰高度參差不齊，很可能是同一頁(yè)被重復(fù)編程了；

●    如果某些山峰（尤其是最右邊的那座）完全消失了，則很可能是發(fā)生了異常掉電。

于是，閾值電壓分布圖就成了分析和解決閃存問(wèn)題的利器。同時(shí)，這也解釋了為什么對(duì)于工業(yè)、軍規(guī)乃至航天級(jí)應(yīng)用，擁有自研主控和自研固件的能力至關(guān)重要。

閾值電壓的偏移，根源在于閃存顆粒的物理磨損、電子泄露以及環(huán)境溫度變化。當(dāng)一顆通用SSD還依賴固定的讀參考電壓去“刻舟求劍”時(shí)，天碩全鏈路國(guó)產(chǎn)化的工業(yè)級(jí)寬溫SSD，則能利用自研主控的強(qiáng)大算力和自研固件的深度定制算法，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)閾值電壓分布圖的細(xì)微變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整讀參考電壓的位置。

這種“因材施教”的精準(zhǔn)糾偏能力，能夠在嚴(yán)苛的溫度和振動(dòng)環(huán)境下，始終讓讀參考電壓精準(zhǔn)地落在偏移后的“山谷”中，從而確保工業(yè)設(shè)備的長(zhǎng)效穩(wěn)定、軍規(guī)裝備的絕對(duì)可靠，以及航天任務(wù)的萬(wàn)無(wú)一失。

關(guān)于天碩（TOPSSD）

湖南天碩創(chuàng)新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是國(guó)家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè)，長(zhǎng)期專注于高可靠、高性能存儲(chǔ)技術(shù)的自主創(chuàng)新。公司立足國(guó)家戰(zhàn)略需求，面向航空、航天、國(guó)防和高端工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域，提供完全自主可控的核心存儲(chǔ)解決方案，切實(shí)保障國(guó)家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)安全與運(yùn)行穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

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