闪存的基础知识4-TLC的2-3-2读取

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前言

闪存Vt编码需遵循格雷码的标准。而在TLC上，我们可以构造数个不同的格雷码以满足8个Vt状态的编码需求。选哪个格雷码使用，则和TLC各个页(page)的读取性能及可靠性平衡相关。

一、先以MLC为例

先以MLC为例，每一个存储单元可以存储两个bit，分别隶属于Upper Page (UP)，和Lower Page (LP)。为了获得两个bit的数据，每个闪存单元有4个Vt状态，需要用三个Vref来作比较。即，

又因为UP的读取需要两次Vref的比较，LP的读取只需要一次Vref的比较，所以UP的读取速度比LP要慢很多；相应的UP所承受的读干扰(Read Disturb)也会比LP要多。这会在系统端应用的时候，造成性能与可靠性的下降。

二、举例

1.性能说明

用性能举一个例子，如果闪存控制器(controller)，同时在四个闪存芯片上读取数据，且要求四个芯片上的数据都读取完成后再做奇偶校验，其顺序如下，

以上一共16个page，假设UP的读取延时是LP的1.5倍，LP和UP的数量各占一半的情况下，平均每次的读取时间理应是1.25个LP的读取时间。但事实上每次奇偶校验都要等待最慢的一个page读完才能开始，因此实际完成这个操作的时间会更长， 

所以在固件的设计中，通常希望把各个芯片上有“并行读取”需求的数据都放在相同类型的页里 -- 要么都放在LP里，要么都放在UP里，以降低对性能的影响。同理，在闪存的设计中，我们希望尽量缩短UP的读取时间，让固件设计的回旋余地更大。并且Vref_UP1和Vref_UP2左边，即Vt编码是11和00的两个Vt分布，要控制得离这两个Vref稍远些，尤其是Vt最低的11态。因为读干扰会让Vt上升，对低Vt态的影响最大。

就TLC而言，由于有8个Vt状态，需要7次比较才能把三个页(LP、MP、UP)都读出来。TLC如果沿用SLC到MLC的思路，将这7次比较分配为：LP比较1次，MP比较2次，UP比较4次。这虽然也能得到所有数据，但在系统应用端，读取性能势必会被UP的超长延迟所牵制。且UP的读干扰也会数倍于LP。为了更好的平衡各个页之间的读延时与读干扰，TLC会使用2-3-2读取，即在分配7次比较时：LP用两个比较电压，比较两次；MP用三个比较电压，比较三次；UP用两个比较电压，比较两次。这样做可以降低最高比较次数，平衡各个page的读取。以此类推，QLC有16个Vt状态，需要15个比较电压，读4个page，所以最佳分配应该是3-4-4-4或者4-3-4-4之类的读取。

2.TLC2-3-2

然而TLC 2-3-2读取和TLC Vt编码又有什么关系呢？可以利用MLC的例子来做初步的解释。为了更方便解释，我们作一些重命名，以统一MLC、TLC乃至QLC、PLC各个Vt状态和Vref的命名规范：

1. 最低的Vt状态命名为Erase态，简称E

2. 次低至最高的Vt状态命名为Program态，简称P。对MLC，有三个P态，从低到高分别是P1、P2、P3。TLC可以类推，有P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7，7个program态。QLC有15个program态。

3. 在读取数据时使用的比较电压，命名为Read电压，简称R。对MLC，有三个R，R1、R2、R3。TLC有7个Read电压，QLC有15个Read电压。将E/P/R按电压高低，放在同一个表里，再加上各个页的编码，对MLC，可得

1. LP用一次比较读出，比较电压是R2。比R2低的Vt读作1、比R2高的Vt读作0

2. UP用两次比较读出，比较电压是R1和R3，在R1、R3之间的Vt读作0，在这两个比较电压之外的Vt读作

再观察一下上面的表，不难发现，一旦定义好了某个page所使用的R，那么只要编码在R的两边做翻转，就可以得到对应这个page的Vt的二进制编码。比如

1. 就LP而言，R2的左边是1，右边是0、

2. 就UP而言，R1的左边是1，右边是0；R3的左边是0，右边是1

这些R就像一个个隔断，每次编码碰到它们，就要翻转一下。利用这个规律，可以把TLC 2-3-2读取的格雷码构造出来。先画一张空表，如下

接下去把7个R分配到三个不同的page上。需要注意的一个点是，任意两个Vt状态之间，各个Page所对应的R，出现的次数“不能全是”偶数次。因为二进制只有0和1，若某page的两个编码之间出现偶数个R，那么0会翻转回0，1会翻转回1。如果所有page都如此，就会出现重复编码。举例如果P1和P6之间，LP/MP/UP都被分配了两个R，那么P1和P6的编码一定是重复的。还好TLC的R只有7个，且分在三个不同的page上，分配时较容易达成这一要求。

定义MP的三个比较电压为R2、R4和R6，LP的两个比较电压为R1、R5，UP的两个比较电压为R3、R7。当然也可以把LP和UP的比较电压对换，一样能得到一组2-3-2的格雷码。先以上面的定义为基准，得到

然后就可以往这张表里填各个page的Vt编码了。由于一般约定E对所有page的编码为1，那么

1)对LP而言，从左往右，编码碰到R1之后翻转为0；再碰到R5，翻转回1

2)对MP而言，从左往右，编码碰到R2翻转为0；碰到R4翻转为1；最后碰到R6翻转为0

3)对LP而言，从左往右，编码碰到R3之后翻转为0；再碰到R7，翻转回1

如果我们是一步一步填表的，那就是

总结

格雷码1就是典型的1-2-4编码，格雷码2和3都是2-3-2编码。为了支撑TLC三个page的读平衡，可以使用格雷码2或者格雷码3。

QLC和PLC因为有更多的R，为满足格雷码编码的要求及读平衡，R的分配会相对复杂，推荐使用代码做判断。如果读者有好的、不需要使用代码对QLC/PLC做R分配的方法，也欢迎交流。