[实用新型]复合型闪存固态盘

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体存储领域，更具体的来讲，涉及MLC(多层式储存即：Multi Level Cell)与SLC(单层式储存即：Single Level Cell)闪存的闪存固态盘。

背景技术

闪存因为其具有高密度、大容量、较低的读写操作耗时，非易失性等特点而越来越广的被用于各种领域；和机械磁盘相比，使用闪存固态盘的一个主要好处在于它本身的优越的抗震动性，另一个主要好处在于它的显著改善的系统性能，主要表现在更快的随机存取速度(每秒10兆字节)，同时它只需更低的耗电量，并可应用在更大的操作温度范围。但是，闪存芯片自身存在的一些缺陷限制了这类存储器的应用。其一，由于闪存芯片单片密度(通常只有几千个兆字节)还是远远小于机械磁盘(通常几十万个兆字节)，所以大容量的闪存固态盘必须由很多闪存芯片(闪存阵列)组成，才可以用来作为主要数据存储器，以替代机械磁盘。

尽管现有闪存固态盘的存取速度已经比机械磁盘快了很多，但单片闪存芯片或单个闪存总线的读写速度大约受限于每秒25兆字节，同存储媒体的接口技术(光纤接口每秒200至400兆字节，串行ATA接口每秒150至300兆字节，串行SCSI接口每秒300至600兆字节)相比，还相差甚远。另外，在写闪存芯片之前，闪存芯片必须被擦除并确认其成功的擦除，写闪存芯片相对比较慢，这也会显著的降低系统的性能。

闪存芯片有SLC(Single Level Cell)和MLC(Multi-Level Cell)二种，SLC的每个储存单元只储存1比特信息，而MLC的每个储存单元可以储存2或更多比特信息，2比特的MLC闪存芯片比较常见。在设计上，SLC闪存和MLC闪存很相近，但利用charge placement技术，其原理是将两个位的信息存入一个浮动栅(Floating Gate，闪存存储单元中存放电荷的部分)，然后利用不同电位的电荷，透过内存储存格的电压控制精准读写，在同样大小的硅晶圆片上，MLC闪存的储存容量可以是SLC闪存容量的两倍，MLC闪存的单位成本价格更低。SLC闪存和MLC闪存的读取速度很接近，因为闪存读取是用电压比较器来比较输出电压和一个域值，其速度不受SLC和MLC结构的影响。但MLC的写入速度要远远慢于SLC。由于MLC闪存Si材料性能的下降，SLC闪存的耐久性是MLC闪存的十倍，所以，MLC闪存通常被用作消费类的储存器，而SLC闪存被用于工业级的储存器。

闪存芯片由多个块存储单元组成，而每个块存储单元由多个页存储单元组成。闪存芯片的擦除以闪存块为单元，而读写则以闪存页为单元。每个闪存块单元只有有限的擦除和写入的次数，这次数基本上决定了闪存固态盘的寿命。所以，一个闪存系统通常采用一种均衡算法，致使闪存芯片内的所有闪存块具有大约一致的擦除和写入次数，以避免过分擦除和写入部分闪存块，从而达到延长闪存固态盘寿命的目的。

闪存芯片的某些块单元可能在闪存厂家出厂时已受到损坏，不能用来存储数据，在闪存芯片的使用过程中，也可能受到损坏，所以，一个闪存系统通常需要管理受到损坏的闪存块单元。

综上，一个闪存系统需要有效的管理闪存阵列，以提高闪存固态盘的性能和容量，并同时提高可靠性和寿命。

正在申请的美国专利(60,875,328)提供了一种有效的闪存阵列管理办法。该专利系统主要包括一个微处理器、闪存阵列控制器、内部高速缓存和闪存芯片阵列。不同的闪存控制器用来控制不同的闪存列，而每个闪存控制器用一个共享的闪存总线，通过芯片片选来控制这列之内的所有行闪存芯片。

这类闪存阵列通常由同种闪存芯片组成，或是SLC、或是MLC。SLC组成的闪存阵列可以提供更高的可靠性和更长的寿命，但其储存容量较小；MLC组成的闪存阵列可以提供比较大的容量，但其可靠性较差，寿命较短。

有很多现有的专利技术运用同类闪存芯片来设计储存系统。

闪存芯片阵列的管理通常由许多管理表格组成，如本专利的申请者正在申请的美国专利(60,875,328)中所述。该管理系统采用了诸多的闪存数据管理表格，这包括以下表格：

1、逻辑地址到物理地址之影射表

2、物理地址表，用于管理闪存块单元的均衡算法

3、闪存块擦除队列，用于存储将需要擦除的闪存块单元

4、闪存块就绪队列，用于存储可以写入新数据的闪存块单元

5、冗余闪存块清单，用于替换损坏的闪存块单元

6、损坏的闪存块单元清单，用于管理已损坏的闪存块单元