通用型Flash测试平台研发

发布时间：2020-11-18 23:41

　　 随着存储器的发展,NAND Flash(NAND闪存,以下所述闪存特指NAND型闪存)凭借大容量、低功耗、低成本等优点已经成为了当下最主要的存储介质之一。但由闪存自身结构原因造成的可靠性问题已成为了闪存发展的一大阻碍。由此,闪存可靠性测试平台的研发具有非常重要的意义。而且,近年来,闪存技术不断更新:单元容量从最初的SLC、MLC发展到现在的TLC、QLC;结构从2D发展为3D。在工艺水平提高的同时,闪存的特征尺寸不断减小,沟道氧化层不断变薄,这意味着闪存相较之前更加容易出错。闪存的可靠性问题亟待解决。但到目前为止,国内外均没有成熟的闪存测试方案,尤其是针对闪存可靠性的测试,国内外的测试设备几乎还未涉足。基于此,本文设计了一套通用型闪存测试平台,该平台不仅实现了对闪存的常规测试如数据干扰测试、工作电流测试、数据保留测试等,还以―智能算法建模‖的方式实现了对闪存可靠性的主要指标——寿命比较精准的预测。本文首先在国内外闪存测试现状的基础上讨论了本平台研发的意义;接着分析了闪存芯片的存储原理以及闪存中存在的主要错误类型;之后对测试平台的主要组成部分:专为该平台设计的闪存控制器、固件设计、上位机软件设计方案进行了详细的介绍;最后对测试平台的功能进行了验证。本平台的上位机软件以及硬件、固件均是自研发,创新地利用遗传算法和神经网络算法对闪存芯片进行建模,实现了对闪存寿命的预测以及闪存芯片的分类。实验结果表明,预测算法的预测准确度能够达到90%以上。通过配套的测试软件简化了测试操作,最终结果以图表的方式在软件界面显示,能够更加直观地展示测试结果。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

图 1.1 不同种类闪存寿命直方图[3]由图可以看到随着工艺尺寸的减小和每单元容量的提高，闪存寿命大幅度降要的纠错码强度随之增大。在 SLC（Single-Level Cell）时代，该问题相对不明为 SLC 的 Flash 其擦写次数可以达到上万次，但随着 MLC、TLC 和 QLC 技术成为当代闪存的主流技术[7]，同时，采用 3D 结构的 Flash 芯片也得到快速的]，如三星和镁光公司目前分别可以实现 64GB（64 层堆叠）和 48GB（32 层堆] [10]，该问题已经成为阻挡 Flash 继续发展的重要障碍，因为随着每个单元存it 数越多，其栅氧化层就越容易失效，导致 Flash 的可靠性越低。从图中可以LC 的可擦写次数骤减到两三千次，而 TLC 更少，只有一千次，并且这种闪存少的趋势会随着技术的更新持续走下去[11]。TLC 尚且如此，新提出的 QLC 技术，随着该技术的不断成熟，若没有相应的检测措施，那么 Flash 的可靠性将成lash 能否继续发展的决定性因素。虽然现在通过 ECC（Error Correcting Code）的可以实现对闪存芯片内部数据的纠错[12]，但随着使用时间增加，ECC 能力有

常完备的知识理论体系。如，目前泰瑞达、爱德万已研制了针对存测试设备产品。其中，泰瑞达的闪存测试设备以提高并行性为主，通输接口增加测试的效率，由于测试设备主要面向的是商业生产在测试析上则极少有改进。与泰瑞达相似，爱德万的测试设备主要面向 SS试，测试设备以提高并行性为主，如爱德万新推出的支持 PCIE Gen 够让用户直接根据该设备开发基于 PCIE Gen 4 协议的 SSD，但是对介质 Flash 的测试却基本没有提到。意大利的一家名叫 NPlusT 的公司款名为 Nanocycler 的非易失性存储器测试设备，其外观如图 1.2 所示对 Flash 进行如接口速度、电源拉偏、高低温等测试，同时，该设备支片的并行测试。该公司提供的配套测试软件能够对测试结果进行简结果以图表的形式显示，方便用户更加直观地观测测试结果。Nanocy其配套软件是目前市面上较为成熟的闪存测试设备，但该设备同样也可靠性测试的解决方案。

2 平台基础技术及总体架构Flash 存储原理NAND Flash 的常见存储结构为浮栅型（FG，floating gate）晶体管和电荷charge trap)晶体管。FG 结构如图 2.1 所示，最上层的是控制栅（CG，contro是浮栅[30]。浮栅的两边都是硅氧化层做成的沟道，以此达到与控制栅和目的，这样，保存在浮栅中的电子即使在掉电之后也能够保存在浮栅中 NAND Flash 存储数据的原理是电子的隧穿效应[31]，当给浮栅加正向电时，因为沟道氧化层比较薄，在强电场的作用下，电子隧穿进到浮栅中除），给控制栅加―反向‖电压时，浮栅中的电子通过沟道隧穿出浮栅[32]。 内部有一个电荷泵，通过该电荷泵实现对浮栅施加正/反向电压[33]。
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本文编号：2889376