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Upper Page和Lower Page那些事儿

日期:2016-09-19   标签:Upper Page和Lower Page那些事儿   来源:瑞耐斯存储技术-微信公众号

根据Lower page和Upper page的不同特性解决不同的问题,在实际的应用中会带来极好的效果,如:提升性能、大幅提升寿命、解决异常掉电的可靠性安全隐患等等。一些特殊应用或许会带来其他方面的损失,如:提升性能和寿命可能需要牺牲容量等,但这些取舍的操作往往比通用的操作更具有现实意义。


Upper Page和Lower Page的概念在各个Nand Flash厂商的Datasheet中基本没有提及,Datasheet会给出笼统的program时间,这个操作时间是Lower和upper的平均时间,实际上,Upper page的操作时间会比Lower Page的操作时间长3-4倍左右(MLC)。这些结论可以通过NFA100-E很直观的看到:


https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaF8KypgpVCJFTbZd5wyF6A3KfJH6kvHMv8pv4Tab9VkPgjyeFb0IjRaQ/0?wx_fmt=jpeg


       最直接的测试数据(时间单位:μs):


https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaFfEZMMrYFiaXCicrQSY9cpHTNGNmkFX527ShIic2pgxYVEqV2j4VckwkJQ/0?wx_fmt=jpeg


那么,到底操作时间短的叫Upper page,还是操作时间长的叫Upper page?Lower Page是所谓的“快页”还是“慢页”?


答案是:Upper Page是操作时间较长的Page,也叫“慢页”;Lower Page是操作时间较短的Page,也叫“快页”。为何如此,后文有分析。


关于LSB和MSB


在谈Upper page和Lower page之前,必须得从两个绕不开词说起:LSB(Least significant bit最低有效位)和MSB(Mostsignificant bit最高有效位)。


MSB是指一个n位二进制数字中的n-1位,具有最高的权值2^(n-1),在大端序中,MSB即指最左端的位,LSB则相反。


Nand Flash最初始的状态是“11”,在此状态下,左边的1是MSB,右边的1是LSB,所以,对Nand Flash进行Program的过程,就是将“11”中的MSB或者LSB或者二者Program为“0”或者继续保持“1”的状态,由此,cell其实有四种状态,四种状态分布对应不同的Cell电压值:


https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaFichYHrLOWNy7tal1900kaP6qHJ2rUticsuRvuvq7ToiaoMa0DRlCGLnBA/0?wx_fmt=png


11:Erase状态;


10:Program 0(LSB被program)


00:Program 0(LSB和MSB被Program)


01:Program 0(MSB被program)


Upper Page和Lower Page


那么,LSB和MSB和upper page和Lower page又是什么关系呢?


厂商是这样做的:把MSB和LSB一个物理cell上的两个bit分别映射到两个不同的page上,那么,LSB对应的page就是Lower page,MSB对应的page就是Upper page。美其名曰:sharedpages或者paired pages,具体如何映射,每个厂商各有不同,每一代的Nand Flash的映射方法也不同,例如:34nm和25nm就不一定相同,2D nand和3D Nand也不同,更为悲催的是,有些厂商在datasheet中并不提供对应的表供用户查询。


例如:page32和page64,page75和page138互为shared page,开头和结尾的一些pages(数量不确定,每个厂商都不同,2D nand和3D也不同)有特殊用途,没有分配shared page。


Datasheet没有说明这一对page中,哪个是Upper Page,哪个是Lower Page,事实上,数字小的是Lower Page,数字大的是Upper Page。


https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaFIXaUPoAMn0xBNEdWUyfPlvpY4xtcLCjKqmCoFbqgiazdWlFX72plZ7g/0?wx_fmt=jpeg


   那么为什么LowerPage的速度快,Upper page的速度慢呢?这是因为,与Lower page不同,Upper Page在Program时,不仅仅需要自身的阈值电压,还需要知道Lower Page阈值电压分布情况,具体来说:


https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaFxNIQPyXHN02LYK3DticQBEJaQFyuoPRYBhVK5DLX1M7HVJmSYcjepTg/0?wx_fmt=jpeg


    Nand Flash对一个cell的编程必须是从LSB也就是对应的Lower page开始执行编程,那么,LSB将会面临两种状态:


1、如果是写入“1”,Cell的阈值电压不会发生改变,仍然保持“擦除”状态;


2、如果是写入“0”,Vth将会升高,直到达到“10”或“00”所需的电压值。


LSB编程完毕,才开始MSB也就是Upper Page的编程,同样:


1、 如果是写入“1”,Vth不会发生改变,仍然保持擦除状态;


2、 如果是写入“0”,那么:


2.1  如果Lower page是“1”,Vth将会升高到“01”;


2.2  如果Lower page是“0”,将会升高到“00”所需电压值;


https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaF9qiaxWQUBdpGEZr1vu26j7iaTtTwDlib7SGVfByYqUXtY2xnibgARdgjxg/0?wx_fmt=jpeg


异常掉电的影响:


正如上面所述,一个物理cell其实是被两个page所共享,那么,问题就来了,既然一个cell中的两个bit被映射到两个不同的逻辑页中,那么当对其中一个bit进行写入操作时(无论是MSB还是LSB),如果突然掉电,那么,这个cell中的数据势必会丢失,也就是说,两个page中的数据都会出现错误。所以,断电保护的作用就不言而喻。


通常情况下,SSD会使用钽电容或者超级电容做断电保护,二者各具优缺点,钽电容更适合宽温环境,但钽电容容量一般都较小,不适合做大容量SSD断电保护,超级电容则不适合高低温环境,更适合做大容量SSD断电保护。

https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz/xFJCIBqh33qxXzBfKrX2uUnF2iaKDnsiaFqkpC9ibicacmJSy6RG6bkiaK7PDgp2PXZXKLvnibdggXItiaTicQ10274mbQ/0?wx_fmt=jpeg






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