生成符合NAND数据特征带软判决信息的数据的方法与流程

本发明涉及nand闪存，具体涉及一种生成符合nand数据特征带软判决信息的数据的方法。

背景技术：

1、固态硬盘（solid state drive，简称ssd），又称固态驱动器，是用固态电子存储芯片（其存储阵列为nand闪存颗粒）阵列制成的硬盘。

2、由nand闪存颗粒本身的特性决定，写入nand闪存颗粒的数据，重新读取出来会出现比特翻转，并且随着nand闪存颗粒的持续写入与擦除，nand闪存颗粒会出现磨损现象，磨损越严重出现的比特翻转越多。基于此特性，每个数据页读取的时候都需要经过纠错算法对数据进行纠错解码，否则数据的正确性无法保证。然而纠错算法的纠错能力并非无限大，更强的纠错能力意味着需要更多的数据容量来存储校验数据。如何在有限的空间内将纠错算法的纠错能力最大限度的提升是ssd一项重要的内容。

3、当一个数据帧内的数据出错比特过多时，硬解码将失去对数据的保护能力。相比于硬解码，软解码有更强的纠错能力，此时通过调档读取nand闪存颗粒上的数据可获取合适的软判决信息，将带软判决信息的数据用于软解码，提升对ssd上数据的保护能力。对于纠错算法，它需要ssd整个生命周期的数据（比特翻转数据），尤其是足够多的其生命周期末期的数据，特别是某些比特翻转较多的数据帧，来验证其对ssd整个生命周期的数据保护能力。因为需要对每块ssd都具有完整的保护能力，因此实际的磨损测试需要比标称值大的多。

4、nand闪存颗粒的比特翻转是随机的，可通过随机算法在整个数据帧随机注入翻转的比特即可获得出错数据，可以认为所有的nand闪存颗粒的比特翻转模型都相似。可通过在随机数据中随机注错来获得nand闪存颗粒不同时期的不同比特翻转数量，用以验证纠错算法的硬判决纠错能力。

5、然而不同nand闪存颗粒的软判决信息特征会表现的有非常大的不同，不同的厂商、不同的代差、不同的型号等，都会使得nand闪存颗粒表现出不同的出错特性，甚至不同的批次都可能表现出不同的出错特性，它们的软判决数据特征相差较大，无法简单的用同一种模型来替代所有的nand闪存颗粒软判决信息特征。又因为nand闪存颗粒的软判决信息是与其比特翻转强相关的，因此无法简单的通过随机注错来获取nand闪存颗粒的软判决信息。

6、在ssd的生命周期中，数据可靠性对于用户来说至关重要，无论如何用户都不希望写入ssd的数据出现失效，这要求ssd具有强大的数据保护能力。在ssd测试过程中，获取nand闪存颗粒带软判决信息的数据至关重要，仅仅依靠硬判决数据无法获得优秀的纠错性能。尤其是在nand生命周期的中后期，硬判决数据已经无法提供有效的数据保护能力，因此获取nand的软判决信息显得必要且重要。对于纠错算法，也需要获取足够多的带软判决信息的数据来验证纠错算法的实际纠错能力，帮助改进纠错算法，提升纠错算法在nand生命周期内各个时期的数据保护能力。

7、然而，若需在nand上获取足够的带软判决信息的数据比较困难，尤其是获取足够多的出错比特多的数据页的数据，即使在nand的生命周期末期，这样的数据帧也并不多。假设要在nand上获取足够多出错比特达到阈值的数据帧，将需要对nand进行超过其生命周期多得多的擦写磨损，这将大大延长nand的测试周期、增加测试复杂度以及需要更多的nand样本数量。该出错比特的阈值越高，这些开销将越大。

8、实际应用中，若需获得ssd生命周期末期带软判决信息的数据，需要对nand闪存颗粒进行不断的擦写磨损，使其达到预期的状态。预期的状态为出现足够多的比特翻转，然后读取这些数据页上的数据，利用这些数据页上的数据来测试纠错算法。为了达到该状态，现有的两种可行的做法如下。

9、第一种，进行相对较少的擦写磨损，然后利用高温加速数据的老化，即数据保存时间加速。对nand闪存颗粒进行擦写磨损，达到一定状态后（这里的一定状态是指数据页出错数量还未达预期状态），将nand闪存颗粒放在高温环境下烘烤，使其达到预期的状态。该方法的优点是：可降低nand闪存颗粒的磨损次数，缩短磨损的时间。该方法的缺点是：写入数据后，经过高温环境的烘烤达到预期状态，读取数据后重新写入数据需再次进行烘烤，在大样本量测试中需要反复进行烘烤，这种方法会非常耗时。

10、第二种，直接对nand闪存颗粒进行擦写磨损，达到预期的状态。该方法相比于第一种方法，优点在于为了获取足够多的数据时省去了反复高温烘烤的时间，可反复写入数据并读取数据，相比于第一种方法可较快速地获取所需的数据量，而缺点是磨损的次数会比第一种方法多很多，尤其是大样本量测试时，磨损的时间会非常长，或者需要用非常多的设备来增加样本量缩短时间。

11、上述两种方法都有共同的缺点，nand闪存颗粒的不同数据页出错往往大不相同，其比特翻转数量呈某种随机分布状，当期望阈值内的样本量达到预期，其他未在阈值范围内的数据往往比阈值范围内的数据多的多，而有效数据在样本内是呈随机分布，这大大加大了数据的存储成本。若需要多次读写提升样本量，则读写数据的存储容量也将异常巨大。

12、因为纠错算法的软判决纠错能力较强，通常在nand闪存颗粒的生命周期末期会起到重要作用，因此往往需要数据页中有较多的比特翻转，而在nand闪存颗粒中，绝大多数的数据页性能都比较好，在擦写磨损了若干的数据块之后往往只获得了少数比特翻转达到阈值的数据页。基于此，擦写磨损将大大延长测试的周期。

13、因此，在带软判决信息数据的收集中，如何获取大量有效软判决信息，如何缩短nand闪存颗粒磨损时间，以及如何降低数据存储开销是其中主要的问题。

14、现有的nand闪存颗粒带软判决信息数据获取方法需要经过相当长的nand闪存颗粒磨损，并获得相当大的数据量；或者需要适当的nand闪存颗粒磨损，并进行多次读写即高温加速数据老化程序。对于测试的时间开销和测试数据的存储成本都相当的大，并且由于测试周期的拉长，测试过程中发生其他风险的概率也会提高，对于带软判决信息数据样本量需求越大，相应的这种风险就会越高，从而影响数据的样本量，甚至测试过程中测试板卡的损坏风险也会提高，板卡失效将直接导致该板卡的前期测试全部失效。

技术实现思路

1、本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种生成符合nand数据特征带软判决信息的数据的方法。本发明解决了传统方法在nand闪存颗粒上获取大量带软判决信息读数据困难的问题；可以在有限的数据量的基础上，获取所需的带软判决信息的数据，并且在对nand数据解码性能上，逼近真实nand数据的解码性能。本发明不仅大大降低了擦写磨损的测试量，缩短了测试时间，测试量和测试时间的减小也意味着测试风险的降低；同时，纠错算法也可获得更加精确的纠错性能数据。

2、本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种生成符合nand数据特征带软判决信息的数据的方法，包括步骤：

4、s1、对预设的nand闪存颗粒进行擦写磨损，使得部分数据页的比特翻转在预设的阈值范围内；

5、s2、收集nand闪存颗粒上的读写数据：先写入数据，并保存写入的数据；选取电压阈值的偏移范围和档位，依次按照所选档位读取并保存所得数据，即调档读数据；

6、s3、计算nand闪存颗粒的最优电压阈值及最优电压阈值下的最优读取数据；

7、s4、选取相对于最优电压阈值的读偏移档位，计算档位偏移读数据；

8、s5、计算最优读取数据中的比特翻转数量：通过比对最优读取数据与写数据，并通过预设的数据量颗粒度获取每个数据比特翻转数量；

9、s6、按照步骤s5所述的数据量颗粒度，对数据样本的比特翻转进行统计，按照比特翻转数量的不同，将步骤s1中的原始数据进行分类，记为第一次分类；

10、s7、统计软判决信息对最优读取数据的标记，将数据量颗粒度内的数据分为若干类，记为第二次分类；

11、s8、将步骤s7得到的若干类数据再进行分类，以得到各类型数据内部的子类数据的比例，记为第三次分类；

12、s9、利用第三次分类得到的各类型数据内部的子类数据的比例，并通过随机数发生器，生成带有比特翻转和软判决信息的数据。

13、进一步地，步骤s2中，根据nand闪存颗粒的最大可调节档位选取档位或根据预设需求选取所需档位。

14、进一步地，步骤s3具体包括步骤：

15、s3.1、选取读数据的电压阈值偏移范围，选取的读数据的电压阈值偏移范围为-r~0~s，预估的最优电压阈值处于该电压阈值偏移范围-r~0~s内，其中，r和s为偏移档位的端值且为正整数；

16、s3.2、读取并存储数据：同一次读取过程中，每个电压阈值采用相同的偏移档位；然后调节不同的电压阈值偏移，按照预设的调档方法读取每个电压阈值的数据并存储；

17、s3.3、依次计算每个电压阈值的最优电压阈值，组成最优电压阈值表；

18、s3.4、逐比特判定最优电压阈值：判定要恢复的数据比特类型，判断出用哪个电压阈值读取当前比特数据，并确定出该电压阈值的最优电压阈值；

19、s3.5、根据步骤s3.4得到的该电压阈值的最优电压阈值，完成当前比特数据的恢复；

20、s3.6、重复步骤s3.4~步骤s3.5，每次恢复一个比特数据，依次逐比特分析并恢复数据，最后恢复出nand闪存颗粒对应最优电压阈值粒度的最优读取数据。

21、进一步地，步骤s3.2中，预设的调档方法至少包括按照每次间隔相同的档位进行调档和按照预设的周期规律进行调档，其中，（1）按照每次间隔相同的档位进行调档读取每个电压阈值的数据并存储，具体为：每次调档相同的档位进行读取，设每次调档的档位为a档，其中，0<a<17，则该读取方法所对应的每个电压阈值的读取次数为（r+s+1）/a次，存储的数据为（r+s+1）/a份；（2）按照预设的周期规律进行调档读取每个电压阈值的数据并存储，具体为：每次调档按照周期规律进行读取，设按照每调节b1档、b2档、……、bx档作为周期进行循环读取y次，其中，0＜x＜17，0＜bx＜17，0＜y＜17，则该读取方法所对应的每个电压阈值的读取次数为（b1+b2+……+bx）*y次，存储的数据为（b1+b2+……+bx）*y份。

22、进一步地，步骤s4的具体包括步骤：

23、s4.1、选取软判决信息所需的偏移档位，偏移档位从步骤s3所述的电压阈值偏移范围-r~0~s中选取；

24、s4.2、根据选取的偏移档位和步骤s3得到的最优电压阈值，计算获取档位偏移读的实际档位值，逐比特从调档读数据中获取对应档位对应比特的数据，每次计算获取一个比特数据，依次计算得到所需对应的档位偏移读数据；

25、s4.3、重复步骤s4.2依次获取所选取的所有偏移档位对应的读数据。

26、进一步地，步骤s5具体包括步骤：

27、确定数据统计的数据量颗粒度，通过比对步骤s3得到的最优读取数据与步骤s2中的写入的数据，获取每个数据量颗粒度内的数据比特翻转数量。

28、进一步地，步骤s6中，设数据量颗粒度为n字节，共有m个统计单位，设数据量颗粒度n字节内的比特翻转数量为k，其中，min≤k≤max，min为m个统计单位内每单位最小的比特翻转数，max为m个统计单位内每单位最大的比特翻转数。

29、进一步地，步骤s7中，数据量颗粒度内的数据至少分为：比特未翻转且未被标记软判决信息的数据、比特未翻转且被标记软判决信息的数据、比特翻转且未被标记软判决信息的数据、比特翻转且被标记软判决信息的数据。

30、进一步地，步骤s8中，第三次分类至少包括两种方法：

31、方法一、将每类数据内部按照比特是否翻转进行分类，得到比特翻转和比特未翻转两大类数据，然后按照软判决信息对所述两大类数据的标记情况进行子类分类，再分别统计这两大类数据内部各子类数据的比例；

32、方法二、将每类数据内部同时按照比特是否翻转以及是否写入数据进行分类，得到写入值为比特1的比特翻转、写入值比特值为1的比特未翻转、写入值为比特0的比特翻转和写入值为比特0的比特未翻转共四大类数据，然后按照软判决信息对所述四大类数据的标记情况进行子类分类，再分别统计这四大类数据内部的各子类数据的比例。

33、进一步地，步骤s9具体包括步骤：

34、s9.1、确定要注入的比特翻转数量；

35、s9.2、通过随机数发生器生成整个数据帧的数据；

36、s9.3、利用随机数发生器生成比特翻转的位置，比特翻转的位置的数量与步骤s9.1确定的比特翻转数量相同；

37、s9.4、按照步骤s9.3中生成的比特翻转的位置，对步骤s9.2生成的数据帧中对应的比特进行翻转，得到带有比特翻转的硬判决数据帧；

38、s9.5、通过步骤s8获得的各类型数据内部的子类数据的比例将每个大类作为一个完整的正态分布，通过查表计算获得每个子类数据的概率密度阈值，为每个大类数据计算对应的累积分布阈值；

39、s9.6、逐比特按照步骤s7所得分类和步骤s8得到的各类型数据内部的子类数据的比例分析当前比特所在类型及所在数据比例区间，利用随机数发生器生成呈正太分布的随机数，并比对当前比特所对应的阈值表，确定该比特软判决信息标记状态，然后依次逐比特分析数据帧中的数据，并标记每个比特的软判决信息状态，即可完成对整个数据帧的软判决信息注入。

40、本发明的有益效果是：

41、1、本发明基于nand闪存颗粒的比特翻转和软判决信息之间数据特征关系，随机生成带软判决信息读取数据；本发明可基于nand闪存颗粒生成任意数据量的数据，用于纠错算法性能测试等用途。

42、2、本发明简化了nand闪存颗粒生命周期内数据获取的上板测试流程，缩短上板测试时间，不受限制地提高了用于纠错算法的带软判决信息的数据样本量，可使得纠错算法获得与nand闪存颗粒上数据接近的纠错结果。

43、3、本发明大大减少nand闪存颗粒的磨损周期，缩短测试周期的同时，降低了测试失效的风险。常规的测试方法中，需要真实的将nand闪存颗粒磨损到指定的比特翻转范围内用以获取nand闪存颗粒上的数据，进而利用所获取的数据进行进一步的数据分析及测试；本发明仅需获取少量指定范围内的数据，便可提取对应范围内数据的特征，并利用该特征生成所需的带有软判决信息的数据。

44、4、本发明降低了nand闪存颗粒的测试数据量，降低数据存储容量，但可利用数据特征按需求生成任意容量的数据。常规测试中，若需获取所需容量的数据，往往需要经过大量的测试，测试时间和数据容量都受到诸多限制。并且下次若需更多容量的数据又需增加测试样本量，不仅测试流程复杂，且前后两次测试中不可避免地会再引入一些差异；并且受到时间的限制，不可能获取无限大的测试容量；同时，随着测试样本量的增大，数据的存储成本也将线性增长。本发明使得测试样本量大大缩小，并且仅需存储数据的特征即可，使用时仅需利用数据特征在线生成数据，而无需存储所用数据，免除了数据的存储成本，若确实需要数据，仅需存储生成数据的随机数种子即可。

45、5、本发明填补了传统方法无法生成与nand闪存颗粒比特翻转信息相关的带软判决信息的数据特征的空白；本发明可大大缩短nand闪存颗粒测试的时间，提升测试效率。