[發明專利]基于相變存儲器的分頁、ECC校驗及多位預取方法及其結構

有效

• 申請號: 201310061746.9
• 申請日: 2013-02-27
• 公開（公告）號: CN103164343A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 賈智平;李新;劉鵬;申兆巖
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G06F12/02
• 分類號: G06F12/02;G06F11/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及基于相變存儲器的分頁、ECC校驗及多位預取方法及其結構。

背景技術

相變存儲器（Phase-change?memory，簡稱PCM）是一種新型的非易失性存儲器，其基本成分是以硫系化合物為基礎的相變材料。利用硫系化合物相變材料存儲信息，主要根據硫系化合物在無序（非晶態）與有序（晶態）兩態時差距明顯的電阻值來實現數據存儲的0和1態，其中非晶態的電阻值比晶態的電阻值高出3-4個數量級。硫系化合物能在電流脈沖下出現快速相變，在兩個物理狀態（晶態和非晶態）之間快速轉換，由其構成的相變存儲器也因此表現出了可編程的電氣特性，能夠有效的存儲數據。

相變存儲器具有非易失性，支持隨機讀寫。與現有的常用半導體存儲器相比，相變存儲器具有優秀的性能：與SDRAM、SRAM相比，相變存儲器具有非易失性；與閃存相比，其有更高的讀寫速度、更低的功耗和更長的使用壽命。另外，隨著制造工藝的發展，相變存儲器的性能將更加優秀，而SRAM、DRAM和閃存等存儲器的制造工藝已經趨近極限，發展逐漸放緩。

在當前的研究和應用中，大容量的存儲設備通常以Nand?Flash或者磁盤等為存儲介質，如硬盤和記憶卡等，相變存儲器多被用來替換Nor?Flash作為ROM存儲，這主要是應用了相變存儲器的隨機讀寫能力和非易失性，例如三星公司已經在部分手機設計中應用了相變存儲器來替換Nor?Flash作為ROM。但相變存儲器具有更高的讀寫速度、更長的使用壽命和更低的工作功耗等優點，這使其能夠更好的取代Nand?Flash和磁盤等存儲介質，應用于大容量存儲設備中，并表現更優異的性能。目前基于相變存儲器的各項研究在大容量存儲方面所得突破甚少，相變存儲器應用于大容量存儲設備面臨諸多問題。

大容量存儲設備的存儲介質，需要有合適的分頁結構以便于計算機系統對其管理和使用，尤其需要適應于文件系統的最小存儲管理單位——簇，但相變存儲器在存儲原理決定了其硬件結構中并不包含分頁結構，僅僅以容量比較大的塊（Block）的形式劃分。而在目前的各種研究和應用中，作為ROM等存儲設備的相變存儲器并沒有分頁方法，因此使相變存儲器難以應用于大容量存儲設備。

應用于大容量存儲設備的存儲介質必須通過分頁管理，比如有100G容量的硬盤，CPU和操作系統都不能實現直接管理100G的存儲地址，因為它不能對這100G字節的空閑情況都做標記，因為那樣又需要另外的100G存儲空間來存儲這些信息；它只對存儲設備的頁進行管理，只記錄每一頁是否被使用了。如果100G容量的存儲設備中的頁面積為1K，那只需要100M的容量就可以記錄每一個頁是否被使用了。這是目前的操作系統和文件系統對大容量存儲設備管理的標準方法。

傳統的大容量存儲設備都是用NandFlash或者磁性盤片構成的，比如固態硬盤和機械硬盤。這兩種存儲介質都是有更小的存儲單元。比如NandFlash：一塊NandFlash芯片包含了很多個塊，而每個塊又由很多個頁組成，這些頁的大小有512B、1KB、2KB、4KB。這種結構是NandFlash的組成原理所決定的。NandFlash的特性就是以塊為最小單位擦除（NandFlash一旦存入數據就不可再次存入或更改，需要采用擦除操作將已經存儲的數據清空，然后才能再次寫入數據），以頁為最小單位讀寫，即每次讀或者寫操作都只能讀出一頁的數據，或者寫入頁的數據，一頁內的數據可以連續的讀寫，不同頁內的數據不能連續讀寫。這是NandFlash的結構特性，是其內部的存儲陣列本身帶有的特性。磁性盤片同樣具有這種小容量的存儲單元，即扇區，通常容量為512B，這也是其本身的特性。這種小容量的存儲單元，能夠滿足操作系統的需求，構成文件系統簇。

而相變存儲器的只是由多個塊構成的，每個塊的容量通常為100K以上，不能滿足操作系統的需求，因此要在每一塊內劃分多個頁。目前的NORFlash同樣不含有頁的概念，不過在構成大容量存儲設備時，NandFlash能夠替代NorFlash，所以NorFlash并不用來做大容量存儲。NandFlash的速度、擦寫壽命、功耗等都遠不如相變存儲器，所以要提升大容量存儲設備的性能，使用相變存儲器替換NandFlash是有效的方法。而目前并沒有可以替代PCM來做大容量存儲設備的具有分頁方法的存儲器。