Muchos productos SSD basados en NAND Flash en el mercado actual se anuncian como compatibles con el funcionamiento de “grado industrial” o “temperatura industrial” (típicamente -40˚C a 85˚C). Estos productos SSD suelen someterse a pruebas de pantalla para determinar su funcionalidad en distintos rangos de temperatura antes del envío. Sin embargo, los efectos de la temperatura en la retención y la resistencia de los datos SSD rara vez se identifican o discuten.
prólogo
Muchos productos SSD basados en NAND Flash en el mercado actual se anuncian como compatibles con el funcionamiento de “grado industrial” o “temperatura industrial” (típicamente -40˚C a 85˚C). Estos productos SSD suelen someterse a pruebas de pantalla para determinar su funcionalidad en distintos rangos de temperatura antes del envío. Sin embargo, los efectos de la temperatura en la retención y la resistencia de los datos SSD rara vez se identifican o discuten. La capacidad de la memoria flash NAND para almacenar y retener datos depende de la temperatura a la que se expone durante las escrituras y la temperatura entre el momento en que se escriben los datos y el momento en que se leen. Cuanto mayor sea la temperatura experimentada por NAND flash, mayor será la aceleración de los mecanismos de captura de carga que pueden provocar fallas aleatorias de bits de datos. La resistencia está inversamente relacionada con la retención de datos, y la tasa de desgaste de las celdas NAND se ve afectada por la temperatura durante la programación y el borrado de NAND, lo que también afecta la resistencia NAND. Este artículo analiza estos efectos y describe el comportamiento de los sistemas de almacenamiento de datos basados en flash NAND cuando se exponen a diferentes temperaturas.
Memoria flash NAND
Los transistores de puerta flotante son los componentes básicos de la tecnología all-flash.
En los transistores de puerta flotante, hay una capa de óxido aislante entre la puerta flotante y el sustrato. Cuando se aplica un voltaje por encima del umbral (Vt) de la celda a la puerta superior, el transistor se enciende y permite que fluya la corriente. Los electrones son forzados a través de la delgada capa de óxido aplicando un alto voltaje a la puerta superior para evitar que el transistor conduzca corriente. Este es el proceso de escribir (o programar) una celda NAND. Para borrar la celda, el pozo del sustrato se eleva a un alto voltaje para forzar a los electrones desde la puerta flotante a través de la capa de óxido y de regreso al sustrato. Para leer una celda NAND, se aplica un voltaje por encima de Vt a la puerta superior y un amplificador de detección detecta la corriente a través del transistor. Esto da información sobre la cantidad de carga almacenada en la celda.
Detrapping de carga e inversión de bits
Los mecanismos repetidos de tunelización de electrones causados por la programación y el borrado de celdas NAND acumulan trampas de carga en la capa de óxido del túnel. Algunas trampas son profundas y eventualmente se acumulan hasta el punto en que el óxido del túnel se vuelve conductor sin la aplicación de un voltaje de entrada y la celda ya no puede almacenar carga. En este punto, la programación de la NAND debería causar un error de programa y el SSD marcaría todo el bloque como “malo”.
Otras trampas son poco profundas y acumulan carga, lo que interfiere con la programación normal de la celda. Las trampas poco profundas pueden comenzar a eliminar las trampas poco después de programar la celda, lo que reduce el umbral de la celda desde el nivel establecido por el algoritmo de programación NAND y provoca un “cambio de bits”. Además, la carga en las células NAND se elimina naturalmente con el tiempo. Este es el factor limitante para la retención de datos NAND.
La eliminación de la carga almacenada se acelera con la exposición a altas temperaturas, y la temperatura a la que se expone la memoria flash NAND es un factor importante. La ecuación de Arrhenius describe la velocidad de reacción para una temperatura (T) y una energía de activación (Ea) dadas y se puede utilizar para calcular la aceleración de la captura de carga en celdas flash NAND.
Ejemplo de cálculo de la ecuación de Arrhenius en el estándar JEDEC NAND
La especificación de confiabilidad JESD47H de JEDEC NAND establece que un tiempo de horneado de 10 horas a 125 °C equivale a 1 año de retención de datos a 55 °C.
La ecuación de Arrhenius deriva el factor de aceleración para el 939 de 55oC a 125oC.
9.390 horas ~ 1 año (8.760 horas) cuando 10 horas aceleradas 939 veces
Es importante tener en cuenta que la temperatura y la duración a la que se expone el flash NAND después de la programación es la parte más importante para determinar el factor de aceleración. El factor de aceleración NAND para una temperatura de 55oC se muestra en la siguiente tabla. Por ejemplo, para un dispositivo NAND especificado para la retención de datos de 1 año, el almacenamiento a 85 °C acelera el mecanismo de captura de carga en 26 veces en comparación con el almacenamiento a 55 °C.
Al final de la vida útil de una celda NAND, si el dispositivo ha pasado por la cantidad máxima de ciclos de borrado de programa (resistencia) especificados por el fabricante, es posible que se pierdan datos si la NAND se almacena o lee durante un período de tiempo prolongado. a alta temperatura Por el contrario, si la NAND se almacena o se lee a temperaturas inferiores a 55 °C, el factor de aceleración será inferior a 1 y la retención de datos de la NAND se ampliará según las especificaciones.
Tenga en cuenta que al final de la resistencia nominal de una NAND, los dispositivos NAND generalmente no corren peligro de fallar en el corto plazo. Las clasificaciones de resistencia de los fabricantes de NAND generalmente se especifican de tal manera que la cantidad de bloques defectuosos que ocurren con el tiempo cae dentro de un límite porcentual predecible y la NAND puede retener datos durante 1 año a 55 °C según JESD47H.01. Superar el límite de resistencia puede hacer que los bloques fallen a un ritmo más rápido, lo que reduce la capacidad de la unidad para almacenar datos. El impacto en la confiabilidad de la unidad depende de las capacidades de administración de medios del controlador de la unidad.
Temperatura y tasa de error de bit
Con el tiempo, las celdas NAND pueden perder suficiente carga para cambiar suficientes bits para abrumar las capacidades ECC del controlador de la unidad y provocar la pérdida de datos. Otro ejemplo del efecto de la temperatura en la confiabilidad es la diferencia en la tasa de error de bit sin procesar (RBER) de NAND durante los ciclos de escritura a un recuento fijo de P/E a diferentes temperaturas. Los datos de las pruebas internas de WD muestran la siguiente relación entre el RBER y la temperatura:
Estos datos muestran que el RBER de NAND programado al límite de resistencia a -40oC es mayor que NAND programado a 25oC y mayor que NAND programado a 85oC. La programación de la NAND a baja temperatura acelera la tasa de degradación de la capa de óxido celular en comparación con la programación a alta temperatura.
Conclusión
NAND está sujeto a dos factores competitivos con respecto a la temperatura. A altas temperaturas, la programación y el borrado de una celda NAND ejercen relativamente poca presión sobre su estructura, pero la retención de datos en las celdas NAND es problemática. Las bajas temperaturas mejoran la retención de datos de la celda NAND, pero aumentan la tensión relativa en la estructura de la celda de las operaciones de programa y borrado.
Los efectos de la temperatura se aplican a todos los dispositivos NAND de todos los proveedores de NAND en diversos grados. Los dispositivos NAND con clasificación de temperatura industrial del fabricante se prueban funcionalmente a temperaturas de -40 ˚C y +85 ˚C (según las especificaciones del fabricante de NAND), pero la resistencia de estas piezas y su inmunidad a los efectos de carga no mejora. Detrampear. La sensibilidad a estos factores parece aumentar a medida que se reducen las geometrías del proceso NAND, pero las características reales de resistencia y retención de datos de un dispositivo NAND en particular varían según el fabricante de NAND, el material del proceso y la geometría.
Por lo tanto, los proveedores de SSD deben comprender completamente las propiedades físicas de la NAND seleccionada para diferentes aplicaciones y especificar productos SSD con diferentes características de resistencia y retención de datos que se encuentran en todo el rango de temperatura industrial. Al mismo tiempo, también es importante que los usuarios de SSD basados en flash NAND comprendan la relación entre la temperatura, la retención de datos y la resistencia. También discutimos cómo esos modelos de uso afectan la confiabilidad a largo plazo de los SSD.
La mejor manera de optimizar la retención de datos para los SSD basados en NAND es limitar la temperatura a la que se almacena la memoria flash NAND. Si la unidad ha llegado al final de su vida útil o se está acercando a ella, limitar la cantidad de tiempo que está expuesta a altas temperaturas también ayudará a prolongar la retención de datos.