天碩（TOPSSD） G40系列工業(yè)級固態(tài)硬盤采用自研主控及全鏈路國產(chǎn)化替代方案，可在 -40℃~85℃ 寬溫范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行；遵循國家軍用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，更能勝任嚴(yán)苛環(huán)境下的長時任務(wù)。系列產(chǎn)品長期服務(wù)軍用嵌入式計(jì)算機(jī)、指揮控制系統(tǒng)、雷達(dá)、電子對抗、軌道交通與高端工業(yè)自動化等關(guān)鍵應(yīng)用，是艦載、機(jī)載、裝甲車輛等裝備的優(yōu)選核心部件。

摘要：本文將以通俗的語言解釋閃存閾值電壓分布圖的概念、繪制方法及其關(guān)鍵電壓。文章還介紹了分布圖在直觀理解閃存可靠性及診斷數(shù)據(jù)出錯原因方面的作用。在此基礎(chǔ)上，針對工業(yè)、軍規(guī)、航天等對可靠性要求極高的場景，闡述了天碩（TOPSSD）自研主控與固件的價值。

一、什么是閾值電壓分布圖？

我們可以把閃存芯片想象成由無數(shù)個小開關(guān)（存儲單元）組成的陣列。每個開關(guān)都有一個“門檻電壓”，也就是閾值電壓。如果我們在開關(guān)的控制端加一個電壓，當(dāng)這個電壓高于門檻時，開關(guān)就導(dǎo)通（表示一種狀態(tài)）；低于門檻時，開關(guān)就斷開（表示另一種狀態(tài)）。

對于一整個閃存頁，或者一條字線上的所有存儲單元，它們各自的門檻電壓并不完全相同。我們把這些門檻電壓統(tǒng)計(jì)一下：看看每個電壓值附近有多少個存儲單元，然后畫成一張圖。橫坐標(biāo)是電壓高低，縱坐標(biāo)是對應(yīng)的單元個數(shù)，這樣就會形成一座座“山峰”。這張圖就叫閾值電壓分布圖。

以 MLC 閃存為例，每個單元可以存 2 個比特，所以會有 4 種狀態(tài)。畫出來的圖就像四座分開的山峰，分別叫 S0、S1、S2、S3。只要門檻電壓落在某一座山的范圍內(nèi)，這個單元就被認(rèn)為處于那個狀態(tài)。

二、怎么畫出這樣一張分布圖？

想象讀取一個閃存頁的過程：我們要讀的那個頁，在它的控制極上加一個參考電壓 V_READ；而其他不讀的頁，會加一個很高的通過電壓 V_PASS，確保它們無條件導(dǎo)通，不影響我們要測的單元。

要畫出分布圖，我們可以這樣做：先把 V_READ 設(shè)得非常小，然后一點(diǎn)點(diǎn)往上調(diào)。每次調(diào)高一點(diǎn)，就記錄下新導(dǎo)通了多少個存儲單元（也就是從“截止”變?yōu)椤皩?dǎo)通”的單元數(shù)）。電壓從低到高掃一遍，我們就能得到一連串增量數(shù)據(jù)。把這些增量作為縱坐標(biāo)，V_READ 作為橫坐標(biāo)畫出來，就得到了我們想要的閾值電壓分布圖。

圖上的幾個關(guān)鍵電壓

看著這張分布圖，有幾個重要電壓需要了解：

●    默認(rèn)讀參考電壓（V_R1, V_R2, V_R3）

它們位于相鄰兩座“山峰”之間的山谷處，用來判斷某個單元到底屬于左邊還是右邊的狀態(tài)。比如讀 MLC 的低位頁時，只需加一個 V_R2；讀高位頁時，則需要先后加 V_R1 和 V_R3 來判斷。

●    編程驗(yàn)證電壓（V_PV1, V_PV2, V_PV3）

在寫數(shù)據(jù)時，我們是一邊充電一邊檢查的。比如想把一個單元從擦除態(tài) S0 編程到 S1，充一會兒電后，就在控制極加 V_PV1 電壓。如果此時單元還導(dǎo)通，說明門檻電壓還沒超過 V_PV1，需要繼續(xù)充電；如果不導(dǎo)通了，說明已經(jīng)到達(dá) S1 狀態(tài)，后續(xù)編程就會把它保護(hù)起來，不再繼續(xù)充。

●通過電壓（V_PASS）

這個電壓加在那些不需要讀取的單元上，它的值比所有編程狀態(tài)的門檻電壓都高。這樣無論那些單元原本存的是什么數(shù)據(jù)，加上 V_PASS 后都一定會導(dǎo)通，相當(dāng)于把它們“旁路”掉，不影響我們讀取目標(biāo)單元。

三、分布偏移會導(dǎo)致讀錯數(shù)據(jù)

理想情況下，各個狀態(tài)的山峰和讀參考電壓之間應(yīng)該有明顯的間隔，不能交疊。一旦交疊，用默認(rèn)的參考電壓去讀就會出錯。

比如狀態(tài) S2 的山峰如果整體向左偏移，它的左半部分就可能跨過 V_R2。這時，原本屬于 S2 的一些單元會被誤判成左邊的 S1 狀態(tài)，數(shù)據(jù)就讀錯了。

為了保證可靠性，每種狀態(tài)的山峰與相鄰參考電壓之間都有一段安全距離。參考電壓左邊預(yù)留的距離，能容忍該狀態(tài)門檻電壓意外升高；右邊的距離，能容忍門檻電壓意外降低。這些距離越寬，芯片容錯能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)越不容易出錯。

然而，隨著每個單元存儲的位數(shù)越來越多（從 SLC 到 MLC、TLC、QLC），狀態(tài)數(shù)量成倍增加，山峰就越擠，安全距離越來越窄。哪怕狀態(tài)只發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)偏移，都容易和參考電壓交疊，所以閃存的可靠性會明顯下降。

四、閾值電壓分布圖有什么用？

主要有兩大用處：

1、把抽象問題變直觀

單純說“從 SLC 到 QLC 可靠性越來越差”，你可能沒什么感覺。但如果把它們的閾值電壓分布圖擺出來，你會親眼看到：狀態(tài)數(shù)從 2 個變成 16 個，山峰密密麻麻擠在一起，間距越來越小。這時候你就很容易理解，為什么位密度越高越容易出錯了。

2、診斷數(shù)據(jù)出錯的原因

實(shí)際遇到閃存頁數(shù)據(jù)讀錯時，我們把這個頁的分布圖畫出來，就能看出端倪：

●    如果整體山峰向左移，說明是電子流失導(dǎo)致數(shù)據(jù)變?nèi)酰?/p>

●    如果向右移，說明有電子意外注入；

●    如果各座山峰高度參差不齊，很可能是同一頁被重復(fù)編程了；

●    如果某些山峰（尤其是最右邊的那座）完全消失了，則很可能是發(fā)生了異常掉電。

于是，閾值電壓分布圖就成了分析和解決閃存問題的利器。同時，這也解釋了為什么對于工業(yè)、軍規(guī)乃至航天級應(yīng)用，擁有自研主控和自研固件的能力至關(guān)重要。

閾值電壓的偏移，根源在于閃存顆粒的物理磨損、電子泄露以及環(huán)境溫度變化。當(dāng)一顆通用SSD還依賴固定的讀參考電壓去“刻舟求劍”時，天碩全鏈路國產(chǎn)化的工業(yè)級寬溫SSD，則能利用自研主控的強(qiáng)大算力和自研固件的深度定制算法，通過持續(xù)監(jiān)測閾值電壓分布圖的細(xì)微變化，動態(tài)調(diào)整讀參考電壓的位置。

這種“因材施教”的精準(zhǔn)糾偏能力，能夠在嚴(yán)苛的溫度和振動環(huán)境下，始終讓讀參考電壓精準(zhǔn)地落在偏移后的“山谷”中，從而確保工業(yè)設(shè)備的長效穩(wěn)定、軍規(guī)裝備的絕對可靠，以及航天任務(wù)的萬無一失。

關(guān)于天碩（TOPSSD）

湖南天碩創(chuàng)新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是國家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè)，長期專注于高可靠、高性能存儲技術(shù)的自主創(chuàng)新。公司立足國家戰(zhàn)略需求，面向航空、航天、國防和高端工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域，提供完全自主可控的核心存儲解決方案，切實(shí)保障國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)安全與運(yùn)行穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

了解更多產(chǎn)品信息，歡迎訪問湖南天碩官網(wǎng)（www.topssd.com），或在愛采購搜索“湖南天碩創(chuàng)新科技”進(jìn)行咨詢與選購，我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)將為您提供一對一專業(yè)服務(wù)。