3D NAND 闪存芯片的非破坏性寿命预测方法研究

Reliability reduction has been one of the main problems faced by NAND flash memory chips. In NAND flash memory, various types of errors will arise in memory cells after repeated cycles within the lifetime of NAND flash, and eventually lead to an irreparable failure. Meanwhile, the uncorrectable errors that occurred during NAND flash operations will result in a negative impact on the performance of the entire storage system. The prediction of the rest lifetime of flash memory combines to error correction codes and data migration prior to the failure of the NAND flash memory will be accomplished to ensure the correctness of the data stored in memory cells. Therefore, the study of predicting actual remaining NAND flash memory lifetime is essential to improve the reliability of flash memory storage system. This project will study the error characteristics of 3D NAND flash memory on the basis of the current planar flash memory reliability research efforts, set up a proper test platform and design a suitable 3D NAND flash test-pattern to test different types of 3D NAND flash memory samples with high coverage and high efficiency. After testing 3D NAND flash, our project will analyze the mathematics relationship between test data sets and NAND flash endurance value, process data sets by genetic programing algorithm and establish the endurance predictor model. The required information will be collected in a non-destructive method during operation, and predict the endruance value of NAND flash memory to insure the validity of the stored data, provide a reliable guarantee for the flash memory based storage system.

可靠性降低一直是NAND闪存芯片面临的主要问题之一。在闪存芯片使用过程中，其存储单元可能会出现各种错误并最终导致存储单元失效，若存储单元在闪存运行时产生了无法纠正的错误将影响整个存储系统的正常使用。如果在闪存芯片失效之前能够预测闪存芯片的寿命极限同时结合纠错码或者及时进行数据迁移，就能够确保闪存中存储数据的正确性。所以，研究预测闪存芯片在实际使用期间的剩余寿命值，对提高基于闪存芯片的存储系统的可靠性有着非常重要的意义。本项目将在目前闪存芯片可靠性研究的基础上，研究3D闪存芯片的错误特性，建立测试平台对不同类型的3D闪存芯片进行测试，设计适合3D闪存芯片的测试Pattern，高效、高覆盖率地激励出错误，分析测试数据与3D闪存芯片寿命值之间的关系，通过基因编程算法处理少量样本数据训练寿命预测模型，实时测试数据获取参数并预测闪存剩余寿命值，为基于闪存芯片的可靠固态存储系统提供保障。

近年来，云计算、5G技术的兴起使数字存储市场不断扩大，截至目前全球数字化存储需求量已达到ZB级，预计到2030年全球数据存储量将达到2500ZB。随着集成电路工艺技术的发展，闪存芯片存储密度以一年两倍的速度增加，逐渐成为电子设备中的主要存储介质。未来十年，闪存的需求量还将增长10倍，而中国市场需求将达到全球数字存储市场的55%。然而，存储密度的提高给闪存芯片带来了严重的寿命减少和可靠性降低问题。.在闪存芯片使用过程中，其存储单元会随着编程/擦除操作的增加而磨损并最终导致存储单元失效，若存储介质中的数据在闪存运行时产生了无法纠正的错误将影响整个存储系统的正常使用。当一些可靠性要求较高的系统尤其是医疗、军事系统中若出现不可恢复的数据存储错误，对人民生活和国家安全所产生的影响将是无法预计的。如果在闪存芯片失效之前能够预测闪存芯片距离寿命极限的使用时间同时结合纠错码或者及时进行数据迁移，就能够在闪存芯片失效前完全确保存储数据的正确性。所以，研究预测闪存芯片在实际使用期间的剩余寿命值对提高基于闪存芯片的存储系统的可靠性而言有着非常重要的意义。.针对当前闪存可靠性面临的问题，本项目设计并实现了通用闪存芯片测试平台，测试3D闪存芯片研究其错误特性，在此基础上适用于3D闪存芯片的测试算法能够覆盖驻留错误、干扰错误等多种错误。对不同类型的3D闪存芯片进行测试，采集闪存寿命相关参数形成参数数据集合，分析测试数据与闪存芯片寿命值之间的关系，通过基因编程算法以及人工神经网络算法处理数据建立闪存寿命预测模型，模型预测准确度在90%以上。在芯片使用过程中用非破坏性方法收集预测闪存寿命所需的信息进行寿命预测，以保证存储数据的正确性，为闪存存储系统提供可靠保障。