存儲系統和計算機系統的製作方法

2023-09-17 14:55:10 2

專利名稱：存儲系統和計算機系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及存儲系統和計算機系統。
背景技術：
作為計算機系統中採用的存儲系統，搭載了 NAND型閃速存儲器(以下，簡稱為 NAND存儲器)等的非易失性半導體存儲器的SSD(Solid StateDrive 固態硬碟)備受注 目。SSD等的存儲系統與磁碟裝置相比，具有高速、輕量等的優點。存儲系統，一般地說，為了增大存儲容量，搭載多個(例如16個、32個)NAND存儲 晶片(以下，簡稱為晶片)。各個晶片分別具有控制用於訪問存儲單元的列解碼器、行解碼 器等的控制電路。該控制電路故障時，寫入該晶片的數據全部無法讀出。各晶片的控制電 路中，不良率要求在整個存儲系統容許的不良率為約1/η(η是搭載的晶片數)倍以下。在 存儲系統搭載的晶片數存在增加的傾向，因此可以預想，與晶片數反比例減小的每個晶片 容許的不良率在今後存儲系統的製造中變得益發困難。從而，希望緩和晶片單體容許的不 良率。另外，在控制電路故障時，要求有挽救不能讀出的數據的機制。作為應對這些要求的對策，考慮使晶片數具有冗餘性，在冗餘晶片存儲糾錯碼。但 是，非易失性半導體存儲器的晶片中，寫入/刪除次數存在限制。若將特定的晶片作為糾錯 碼專用，則其他晶片之一在每次改寫時反覆進行刪除、再寫入，產生糾錯碼專用晶片顯著劣 化的新問題。但是，公知有幾種根據在存儲元件存儲的數據計算糾錯碼，在存儲的數據中 產生錯誤時根據預先計算的糾錯碼挽救產生上述錯誤的數據的技術。例如日本特開 2007-323224號公報公開了在多個晶片形成校驗位組的技術。但是，日本特開2007-323224 號公報沒有記載存儲晶片數的冗餘性及校驗位(parity)的位置。另外，日本特開 2001-167002號公報公開了在半導體存儲元件存儲與在半導體存儲元件的磁碟區域存儲的 數據有關的糾錯碼的技術。另外，日本特開2000-339228號公報公開了具有存儲校驗位信 息的專用的存儲卡的技術。但是，日本特開2001-167002號公報和日本特開2000-339228 號公報的技術無法抑制存儲糾錯碼的部位的劣化。

發明內容
根據本發明的一個方式，提供一種存儲系統，其特徵在於，具有存儲晶片群，其分 別具有按每個規定尺寸的單位區域分割管理的η個非易失性半導體存儲器的晶片，上述η 個晶片中的一個晶片的單位區域存儲針對包含分別與上述單位區域對應的其他η-1個芯 片中的單位區域的群的糾錯碼，且每個存儲上述糾錯碼的晶片的單位區域的位置互不相同；和訪問處計算部，其在改寫單位區域的數據時，將存儲上述數據的糾錯碼的單位區域指 定為改寫數據的寫入處，將存儲有改寫前的數據的單位區域指定為新糾錯碼的存儲處。另外，根據本發明的一個方式，提供一種計算機系統，其特徵在於具有存儲系統， 上述存儲系統具有存儲晶片群，其分別具有按每個規定尺寸的單位區域分割管理的η個 非易失性半導體存儲器的晶片，上述η個晶片中的一個晶片的單位區域存儲針對包含分別 與上述單位區域對應的其他η-1個晶片中的單位區域的群的糾錯碼，且每個存儲上述糾錯 碼的晶片的單位區域的位置互不相同；和訪問處計算部，其在改寫單位區域的數據時，將存 儲上述數據的糾錯碼的單位區域指定為改寫數據的寫入處，將存儲有改寫前的數據的單位 區域指定為新糾錯碼的存儲處。


圖1是第1實施例的SSD的構成的示圖。圖2是說明存儲了數據及校驗位的情形的圖。圖3是說明存儲了數據及校驗位的情形的圖。圖4是說明存儲了數據及校驗位的情形的圖。圖5是說明晶片故障時的數據狀態的圖。圖6是第1實施例的數據傳送裝置的功能構成的說明圖。圖7是說明第1實施例的SSD的寫入處理時的動作的流程圖。圖8是說明第1實施例的SSD的讀出處理時的動作的流程圖。圖9是說明第1實施例的SSD的挽救數據動作的流程圖。圖10是說明第2實施例的SSD具備的NAND存儲器的構成的圖。圖11是說明第2實施例的SSD的備用晶片的開始使用動作的流程圖。
具體實施例方式以下參照附圖，詳細說明本發明實施例的存儲系統及計算機系統。另外，這些實施 例不對本發明進行限定。圖1是表示本發明第1實施例的存儲系統的構成的方框圖。這裡作為存儲系統的 一例，以SSD為例進行說明，但是本第1實施例的適用對象不限於SSD。如圖1所示，SSDl與個人電腦等的主機裝置2通過SATA接口等的通信規格連接， 起到主機裝置2的外部存儲器的功能。SSDl和主機裝置2構成計算機系統。SSDl具有存 儲從主機裝置2請求寫入的數據的非易失性存儲器即NAND存儲器10 ；控制主機裝置2和 NAND存儲器10之間的數據傳送的數據傳送裝置20。在SSDl從主機裝置2接收的寫入/ 讀出請求中，包含寫入/讀出處的地址信息(例如，LBA:邏輯塊尋址)和請求寫入/讀出的 數據的尺寸。NAND存儲器10具有由多個晶片構成的一個以上的晶片組。各個晶片組各自追加 一個冗餘晶片。這裡，NAND存儲器10具有晶片a j，在晶片a d中追加了冗餘晶片e 的合計5個晶片形成晶片組10a，在晶片f i中追加了冗餘晶片j的合計5個晶片形成芯 片組10b。晶片組10a、10b分別具有5晶片的存儲容量，4晶片的存儲容量用於存儲從主機 裝置2請求寫入的數據(以下，也簡稱為數據)，通過冗餘晶片的追加而增加的剩餘1晶片的存儲容量用於存儲作為數據的糾錯碼的校驗位(parity)。這裡，若將特定的晶片作為存儲校驗位的專用區域，則其他晶片之一每次改寫時 反覆進行刪除、再寫入，產生存儲校驗位的晶片比其他晶片顯著劣化的問題。為了解決該問 題，本第1實施例中，使存儲校驗位的區域動態變化。以下，具體地說明晶片組10a、10b中 的數據及校驗位的存儲規則。另外，晶片組IOa及晶片組IOb具有相同構成，因此以下作為 代表，僅說明晶片組10a。晶片a e的各自的存儲區域按每個規定尺寸分割管理，即使屬於同一晶片也可 能不同，或是按每個規定尺寸的區域來存儲數據的區域，或是存儲校驗位的區域。在存儲校 驗位的區域存儲的校驗位比特(parity bit)，是對其他4個晶片中與該校驗位比特同一位 置存儲的數據組成的群附加的水平校驗位比特。另外，分割管理的區域是指SSDl中的刪除 單位即塊或多個塊，以下的說明中作為塊進行說明。另外，存儲從主機裝置2寫入的數據的 塊作為數據存儲塊，存儲校驗位的塊作為校驗位存儲塊。圖2(a)是某時刻在晶片a e存儲的數據及校驗位的情況的說明圖。如圖示，芯 片a的塊a、晶片b的塊b、晶片c的塊C、晶片d的塊d及晶片e的塊e分別位於晶片a e中的同一位置。塊e存儲對在塊a d存儲的數據附加的校驗位(所謂水平校驗位)。 圖2 (b)是在圖2 (a)所示的塊a d的同一位置的存儲單元各自存儲的數據1 4和在塊 e中與數據1 4同一位置的存儲單元存儲的數據1 4的群的校驗位的說明圖。另外， 這裡，各晶片a f的存儲單元採用可存儲2比特的多值方式的存儲單元。數據1的上位 比特是1，下位比特是0，即〃 10〃。同樣，數據2 4分別為〃 00〃、「 11〃、「 01〃的 值。數據1 4的上位比特存在合計2個〃 1〃，因此上位比特的校驗位是〃 0〃，下位比 特也存在合計2個"1"，因此下位比特的校驗位也是"0"。另外，這裡校驗位採用偶數 校驗位，但是也可採用奇數校驗位。圖3是圖2所示狀態中，將塊b存儲的數據2用作為數據5的"10"改寫時的變 化的說明圖。數據2用數據5改寫時，如圖3 (a)左圖所示，塊b存儲的數據2和塊e存儲 的校驗位被刪除。如圖3(a)右圖所示，數據5寫入校驗位存儲塊即塊e，對數據1、3 5重 新計算的校驗位寫入塊b。如圖3(b)所示，塊e存儲數據5(" 10")，塊b存儲作為新校 驗位的"10"。圖4是圖3所示狀態中，將塊d存儲的數據4用作為數據6的"00"改寫時的變 化的說明圖。數據4用數據6改寫時，本次如圖4 (a)左圖所示，塊d存儲的數據4和塊b存 儲的校驗位被刪除。如圖4(a)右圖所示，數據6寫入塊b，而且新計算的校驗位寫入塊d。 如圖4(b)所示，在塊b存儲數據6(" 00")，在塊d存儲校驗位"11"。這樣，本第1實施例中，改寫某塊存儲的數據時，存儲該數據的水平校驗位的塊成 為改寫數據的寫入處，存儲改寫前的數據的塊成為新水平校驗位的存儲處。從而，校驗位存 儲區域的位置在晶片間跨越地動態變化。另外，各個晶片a f分別具有用於訪問自身各 自具備的存儲單元的控制電路，控制電路若發生故障，則無法訪問該晶片的全部存儲單元。 圖4所示狀態中具有數據存儲區域即塊c的晶片c不能訪問時的數據狀態如圖5所示。如 圖示，校驗位是〃 11"，其他3個數據是〃 10"、『『 00"、『『 10"，因此，計算在塊c丟失 的數據是"11"。即可以挽救故障晶片存儲的數據。數據傳送裝置20作為按照上述數據及校驗位的存儲規則進行數據傳送的功能結
6構，如圖6所示，具有計算在校驗位存儲區域存儲的校驗位的校驗位計算部21 ；將作為從 主機裝置2接收的寫入/讀出請求所包含的地址信息及數據尺寸所指定的邏輯地址的訪問 處的塊和作為通過上述的存儲規則而變化的物理地址的數據的存儲處的塊進行對應的存 儲位置對應信息22 ；根據上述存儲位置對應信息22計算與訪問處的塊對應的數據存儲處 的塊的訪問處計算部23 ；挽救故障晶片存儲的數據的晶片故障對應部24。另外，可以在數 據傳送裝置20中或外的校驗位計算部21、訪問處計算部22、及晶片故障對應部24可訪問 的位置設置寄存器或小規模存儲器等的存儲區域，在該存儲區域預先存儲存儲位置對應信 肩、22ο另外，通過存儲位置對應信息22使與存儲數據的位置有關的邏輯地址和物理地 址一一對應，因此，在存儲位置對應信息22中選擇了一個數據存儲塊時，具有上述選擇的 數據存儲塊的晶片以外的晶片中與上述選擇塊同一位置的塊、且物理地址與邏輯地址不對 應的塊，相當於存儲在上述選擇的數據存儲塊存儲的數據的校驗位的校驗位存儲塊。即，存 儲位置對應信息22雖然沒有明示與每個數據存儲塊對應的校驗位存儲塊，但是通過參照 存儲位置對應信息22，可以求出每個數據存儲塊的校驗位存儲塊的物理地址。另外，存儲位 置對應信息22也可以明示與每個數據存儲塊對應的校驗位存儲塊。接著，參照圖7 圖9說明這些功能構成部的動作。圖7是說明寫入處理時的動 作的流程圖。如圖7所示，從主機裝置2請求寫入時，訪問處計算部23參照存儲位置對應信息 22，求出由寫入請求指定的與寫入訪問處的塊對應的數據存儲塊和存儲該數據存儲塊存儲 的數據的校驗位的校驗位存儲塊，將求出的校驗位存儲塊確定為請求寫入的數據的寫入處 (步驟Si)。而且，訪問處計算部23將上述求出的數據存儲塊確定為新的校驗位存儲塊(步 驟S2)。在步驟Si、步驟S2確定的塊存儲的數據、校驗位被刪除。接著，校驗位計算部21根據請求寫入的數據計算新的校驗位(步驟S3)。數據傳 送裝置20向步驟Sl確定的寫入處的塊寫入請求寫入的數據，同時向步驟S2確定的新校驗 位存儲塊寫入步驟S3計算的校驗位(步驟S4)。訪問處計算部23更新存儲位置對應信息 22 (步驟S5)。具體地，訪問處計算部23將存儲位置對應信息22中上述寫入請求指定的塊 所對應的數據存儲塊(步驟S2確定為新校驗位存儲塊的塊)變更為步驟Sl確定的塊。然 後，寫入處理的動作結束。圖8是說明讀出處理時的動作的流程圖。如圖示，從主機裝置2請求讀出時，數據 傳送裝置20參照存儲位置對應信息22，求出與讀出請求指定的讀出訪問處的塊對應的數 據存儲塊(步驟S11)。數據傳送裝置20從求出的塊讀出數據，將讀出數據向主機裝置2發 送(步驟S12)，然後讀出處理的動作結束。步驟S12中求出的塊不能訪問時，執行挽救數據的數據挽救處理。圖9是說明數 據挽救處理的流程圖。如圖示，首先，晶片故障對應部24參照存儲位置對應信息22，求出存 儲不能訪問塊(故障塊)所存儲的數據的校驗位的校驗位存儲塊(步驟S21)。晶片故障對 應部24根據求出的校驗位存儲塊存儲的校驗位和位於與故障塊同一位置的其他晶片的數 據存儲塊存儲的數據，挽救故障塊存儲的數據(步驟S22)，然後數據挽救處理的動作結束。 挽救的數據向主機裝置2發送。這樣，對晶片組追加一個冗餘晶片，即使一個晶片故障也可挽救故障晶片存儲的數據，因此，可以提高整個NAND存儲器10的可靠性。換言之，可以增大單個晶片要求的不 良率。例如，搭載32晶片的存儲系統中，作為SSDl全體的不良率必須在3200ppm以下時， 若晶片不具有冗餘性，則單個晶片的不良率必須在3200/32 = IOOppm以下。相對地，若搭 載33晶片，通過冗餘性容許1晶片故障，則單個晶片的不良率可容許到大約2500ppm為止。 即，可以確保整個存儲系統的可靠性並緩和單個晶片要求的不良率，因此可以使存儲晶片、 存儲系統的製造簡單。另外，由於具有多個分別具備一個冗餘晶片的晶片組，因此與僅僅具有一個晶片 組的情況相比，可以進一步提高整個存儲系統的可靠性。另外，雖然說明了不能訪問讀出處的決時執行數據挽救處理，晶片故障對應部24 也可以將數據挽救處置挽救的數據存儲到位於與故障塊同一位置的校驗位存儲塊，以後不 再使用校驗位。另外，判明晶片故障時，也可以對該晶片包含的數據存儲塊存儲的數據執行 數據挽救處置，將挽救的數據存儲在位於與故障塊同一位置的校驗位存儲塊。這樣，對執行 了一次數據挽救處置的塊不必再度執行數據挽救處置，可提高讀出處理的效率。另外，以上的說明中，說明了在校驗位存儲塊存儲水平校驗位，換言之，校驗位存 儲塊相對於其他4個晶片中與該校驗位存儲塊同一位置的塊存儲的各個數據組成的群進 行附加。但是，只要校驗位存儲塊可以和其他4個晶片中的校驗位計算對象的各個數據存 儲塊對應，則校驗位存儲塊存儲的校驗位也可不必是同一位置的數據存儲塊存儲的數據的 校驗位。另外，以上的說明中，說明了使用偶數校驗位作為糾錯碼，但是也可以使用奇 數校驗位。另外，作為糾錯碼，也可以不使用校驗位，而使用校驗和(checksum)。例 如，「01〃、「 11〃、「 10〃的校驗和產生進位成為〃 110〃，將取後2位的值即〃 10" 存儲到存儲糾錯碼的塊。數據挽救處置時，丟失的數據成為從存儲的校驗和減去剩餘的數 據後的值，在值成為負的值時，加上進位量成為正的值。例如若丟失"11"，則從存儲的 校驗和〃 10〃減去〃 01〃及〃 10〃。這樣，雖然獲得負的值〃 -01〃，但是通過加上進位 量〃 100〃可計算丟失的值即〃 11"。如上所述，按照本發明第1實施例，具有按每個塊分割管理的多個晶片組成的芯 片組，上述多個晶片中的一個晶片的塊存儲其他晶片中與上述塊同一位置的塊的群的糾錯 碼，且每個存儲糾錯碼的晶片的塊互不相同，改寫數據時，將存儲該數據的糾錯碼的塊指定 為改寫數據的寫入處，將存儲改寫前的數據的塊指定為新糾錯碼的存儲處，因此，在數據的 每次改寫時都改變糾錯碼的存儲處，從而每個晶片的改寫次數均一化，且即使一個晶片不 能讀出，不能讀出晶片存儲的數據也可以根據其他晶片的數據及糾錯碼來挽救，因此，可以 確保整個存儲系統的可靠性並緩和晶片單體容許的不良率。第2實施例中，除了第1實施例的構成外，還具有在不能訪問晶片時，作為該不能 訪問晶片的備用而使用的冗餘晶片。圖10是第2實施例的SSD具有的NAND存儲器的構成 的說明圖。另外，第2實施例的NAND存儲器以外的構成與第1實施例相同，因此，這裡原樣 使用第1實施例中採用的構成的名稱及符號。另外，第2實施例的數據傳送裝置20的功能 構成中，雖然晶片故障對應部的動作不同，但是其他功能構成與第1實施例相同，因此原樣 使用第1實施例中採用的功能構成的名稱及符號。如圖10所示，本第2實施例的NAND存儲器30除了晶片a j外，還具有作為備用晶片的一個以上(這裡是二個)的晶片k、晶片1。晶片k、晶片1在晶片a j中的一個 或二個不能訪問時，開始作為不能訪問晶片(故障晶片)的替代品進行使用。接著，說明備用晶片開始使用時的動作。圖11是說明開始備用晶片的使用處理的 流程圖。如圖示，首先，晶片故障對應部24從故障晶片選擇一個塊(步驟S31)。然後，芯 片故障對應部24參照存儲位置對應信息22，判定選擇的塊是否是數據存儲塊(步驟S32)。 選擇的塊是數據存儲塊時(步驟S32，是)，晶片故障對應部24在步驟S33及步驟S34執行 圖9所示的數據挽救處理，挽救選擇的塊所存儲的數據。然後，晶片故障對應部24將挽救的數據寫入備用晶片中與上述選擇塊相同的位 置(步驟S35)。然後，晶片故障對應部24更新存儲位置對應信息22 (步驟S36)。S卩，將存 儲位置對應信息22記述的由步驟S31選擇的故障塊的記述變更為步驟S35寫入的備用芯 片的寫入處的塊的記述。另一方面，步驟S32中，選擇的塊不是數據存儲塊時(步驟S32，否)，由於選擇的 塊是校驗位存儲塊，因此晶片故障對應部24再度計算在該塊存儲的校驗位(步驟S37)，將 計算的校驗位寫入備用晶片中與由步驟S31選擇的故障塊相同的位置(步驟S38)。步驟S36或步驟S38後，晶片故障對應部24判定是否從故障晶片選擇了全部塊 (步驟S39)，未選擇時(步驟S39，否)，移入步驟S31，選擇一個未選擇的塊，已全部選擇時 (步驟S39，是)，開始備用晶片的使用的處理結束。另外，也可以將晶片k、晶片1中任一個首先作為備用晶片來開始使用。這樣，按照本發明第2實施例，還具有備用晶片，屬於晶片組的晶片不能訪問時， 將從不能訪問的晶片挽救的數據存儲在備用晶片，因此，與第1實施例相比，可以進一步提 高整個存儲系統的可靠性。由於可以比第1實施例進一步提高了整個存儲系統的可靠性， 因此對整個存儲系統要求同等級的可靠性時，與第1實施例相比，可以進一步緩和晶片單 體容許的不良率。另外，備用晶片數越多，整個存儲系統的可靠性越高。進一步的效果和變形例可以由本領域技術人員容易地導出。因此，本發明的更廣 泛的方式不限於以上表示且記述的特定的詳細情況及代表的實施例。從而，在不脫離由所 附的權利要求及其等同物定義的總發明概念的精神或範圍的情況下，可以進行各種各樣的 變更。
權利要求
一種存儲系統，其特徵在於，具有存儲晶片群，其分別具有按每個規定尺寸的單位區域分割管理的n個非易失性半導體存儲器的晶片，上述n個晶片中的一個晶片的單位區域存儲針對包含分別與上述單位區域對應的其他n 1個晶片的單位區域的群的糾錯碼，且每個存儲上述糾錯碼的晶片的單位區域的位置互不相同；和訪問處計算部，其在改寫單位區域的數據時，將存儲上述數據的糾錯碼的單位區域指定為改寫數據的寫入處，將存儲有改寫前的數據的單位區域指定為新糾錯碼的存儲處。
2.權利要求1所述的存儲系統，其特徵在於， 上述單位區域是塊或多個塊。
3.權利要求1所述的存儲系統，其特徵在於，還具有晶片故障對應部，其在上述η個晶片中的一個晶片不能讀出時，根據在除上述不能讀 出的晶片外的η-1個晶片中按每個單位區域存儲的糾錯碼和數據，挽救上述不能讀出的芯 片存儲的數據。
4.權利要求1所述的存儲系統，其特徵在於， 具有多個上述存儲晶片群。
5.權利要求3所述的存儲系統，其特徵在於，還具有 備用晶片，其包括上述非易失性半導體存儲器的晶片； 上述晶片故障對應部在上述備用晶片存儲上述挽救的數據。
6.權利要求1所述的存儲系統，其特徵在於， 上述糾錯碼是校驗位。
7.權利要求1所述的存儲系統，其特徵在於， 上述糾錯碼是校驗和。
8.權利要求1所述的存儲系統，其特徵在於，上述非易失性半導體存儲器分別是NAND型閃速存儲晶片。
9. 一種計算機系統，其特徵在於具有存儲系統，上述存儲系統具有存儲晶片群，其分別具有按每個規定尺寸的單位區域分割管理的η個非易失性半導體 存儲器的晶片，上述η個晶片中的一個晶片的單位區域存儲針對包含分別與上述單位區域 對應的其他η-1個晶片的單位區域的群的糾錯碼，且每個存儲上述糾錯碼的晶片的單位區 域的位置互不相同；和訪問處計算部，其在改寫單位區域的數據時，將存儲上述數據的糾錯碼的單位區域指 定為改寫數據的寫入處，將存儲有改寫前的數據的單位區域指定為新糾錯碼的存儲處。
10.權利要求9所述的計算機系統，其特徵在於， 上述單位區域是塊或多個塊。
11.權利要求9所述的計算機系統，其特徵在於，還具有晶片故障對應部，其在上述η個晶片中的一個晶片不能讀出時，根據在除上述不能讀 出的晶片外的η-1個晶片中按每個單位區域存儲的糾錯碼和數據，挽救上述不能讀出的芯 片存儲的數據。
12.權利要求9所述的計算機系統，其特徵在於， 具有多個上述存儲晶片群。
13.權利要求11所述的計算機系統，其特徵在於，還具有 備用晶片，其包括上述非易失性半導體存儲器的晶片； 上述晶片故障對應部在上述備用晶片存儲上述挽救的數據。
14.權利要求9所述的計算機系統，其特徵在於， 上述糾錯碼是校驗位。
15.權利要求9所述的計算機系統，其特徵在於， 上述糾錯碼是校驗和。
16.權利要求9所述的計算機系統，其特徵在於， 上述非易失性半導體存儲器分別是NAND型閃速存儲晶片。
全文摘要
本發明提供了存儲系統和計算機系統。存儲系統具有存儲晶片群，其分別具有按每個規定尺寸的單位區域分割管理的n個非易失性半導體存儲器的晶片，上述n個晶片中的一個晶片的單位區域存儲針對包含分別與上述單位區域對應的其他n-1個晶片的單位區域的群的糾錯碼，且每個存儲上述糾錯碼的晶片的單位區域的位置互不相同；和訪問處計算部，其在改寫單位區域的數據時，將存儲上述數據的糾錯碼的單位區域指定為改寫數據的寫入處，將存儲有改寫前的數據的單位區域指定為新糾錯碼的存儲處。
文檔編號G06F3/06GK101908007SQ20101012223
公開日2010年12月8日 申請日期2010年3月2日 優先權日2009年6月3日
發明者成毛清實, 執行直之, 近藤重雄 申請人:株式會社東芝