Modeling and MitigatingEarly Retention Loss andProcess Variation in 3D Flash

3D 闪存早期保留损失和工艺变化建模与缓解

问题背景

3D NAND 闪存虽然通过增加层数提升了存储密度，但其错误特性与平面 NAND 不同，且尚未得到充分研究。随着技术迭代，闪存寿命问题日益突出，尽管 ECC 强度提升，但闪存寿命在每一代中都在下降。

研究贡献

1. 3D NAND 闪存芯片特性分析

• 工艺变化：不同层的闪存单元具有不同的错误特性，层间错误率差异高达 21 倍。
• 早期保留损失：编程后 3 小时内，错误率增加 10 倍，这是 3D NAND 中最显著的错误类型。
• 保留干扰：与平面 NAND 不同，3D NAND 中观察到邻居单元状态对保留损失的影响。

2. RBER 和阈值电压建模

• RBER 变化模型：错误率分布符合伽马分布，提出无变化感知 Vopt 和变化感知 Vopt 两种模型。
• 保留损失模型：早期保留损失可建模为对数保留时间的线性函数，模型误差小于 1 步，调整后的 R² 达到 89%。

3. 错误缓解技术

• LaVAR（层变化感知读取）：为每层学习电压偏移，平均降低 RBER 43%。
• LI-RAID（层交错 RAID）：将不可靠的层与可靠的层分组，显著降低最坏情况 RBER，存储开销小于 0.8%。
• ReMAR（保留模型感知读取）：学习并应用保留损失模型，平均降低 RBER 51.9%。

研究结论

• 核心观点：通过建模和缓解 3D NAND 的错误特性，可以显著提升闪存寿命或降低 ECC 开销。
• 关键数据：LaVAR、LI-RAID 和 ReMAR 技术使闪存寿命提升 1.85 倍，或降低 ECC 存储开销 78.9%。
• 研究意义：为 3D NAND 闪存的高效利用提供了理论和技术支持，解决了早期保留损失和工艺变化带来的可靠性问题。