Естественные и технические науки, № 6, 2010
Трунов А.Н. (Московский физико-технический институт)
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ В ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОМ ЗАПОМИНАЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ КА
Статья посвящена выбору блочного кодирования для обеспечения надежности хранения данных во NAND FLASH памяти при дозе ионизирующего излучения не более 20 кРад.
Ключевые слова: энергонезависимость, блочное кодирование, ионизирующее излучение, FLASH-память.
THE DATA RETENTION INTO A NONVOLATILE STORAGE OF A SPACECRAFT
The article covers the selection of block coding for data retention into NAND FLASH, when an ionizing radiation dose's no more than 20 krad.
Keywords: nonvolatility, block coding, ionization radiation, flash memory.
При использовании Flash памяти в земных условиях появляются ошибки в сохраненных данных. Радиационное воздействие увеличивает количество возникающих ошибок. Основные требования, предъявляемые к системе: энергонезависимость и радиационная стойкость не менее 20 кРад. В качестве компонентов предполагается использование NAND Flash памяти.
NAND Flash память соединяет в себе энергонезависимость с высокой плотностью размещения данных, но имеет ряд недостатков: (i) доступ операций записи/стирания осуществляется блоками; (ii) невысокая по сравнению с DDR устройствами скорость записи/чтения; (iii) ограничение количества циклов записи/стираний; (iv) необходимость отслеживать неисправные блоки.
Элементарная ячейка Flash памяти представляет собой МОП-транзистор с изолированным плавающим затвором. Изолированный затвор окружен оксидом, представляя собой «ловушку» для электронов, гарантирующей сохранение заряда в течение нескольких лет. Операция программирования заполняет плавающий затвор электронами, а операция стирания удаляет заряд на нем. Воздействие электрического поля приводит к постепенному внутреннему разрушению оксида, через который происходит перенос заряда, что влияет на сохранность данных и срок службы.
Метод переноса электронов, применяемый в NAND архитектуре для изменения состояния ячейки, приводит к появлению неустойчивых элементов, которые могут изменить свое состояние. Проявление неустойчивого поведения возможно в любом элементе памяти на протяжении всего срока эксплуатации. Данный эффект устраняется применением кодов исправляющих ошибки.
Критериями сравнения видов кодирования служат: возможность нахождения и исправления несколько ошибок; избыточность кода; символьная или битовая корректировка; сложность декодирования. Рассматриваются блочные коды Хемминга, БЧХ и Рида-Соломона (РС)[1].
Коды Хэмминга, вследствие своей структуры, способны исправлять все однобитовые ошибки или определять положение двух или малого числа ошибок в блоке. Два других вида кодирования обеспечивают достаточную свободу выбора длины блока, степени кодирования (избыточность), а тем самым количество исправляемых ошибок, поэтому дальнейшее рассмотрение Хэмминга не производится. Рид-Соломон корректирует символы в отличие от двоичного БЧХ кода, исправляющего битовые ошибки.
Из испытаний на радиационную стойкость Flash памяти производства Samsung следует, что при исправлении вероятности ошибки 10-3 возможно сохранение данных вплоть до 30 кРад [2]. Предполагается производить помехоустойчивое кодирование таким образом, чтобы
Естественные и технические науки, № б, 2010
записывать избыточные символы в область 128 бит, при этом блок полезной информации 4096 бит. Данная постановка задачи приводит к необходимости использования укороченных кодов РС в поле GF^9) или БЧХ в поле GF^13). В случае использования первого класса требуется РС(464,456) с 72 битами избыточности для исправления 4 символов по 9 бит каждый, во втором случае - БЧХ(4148,4096) с 52 битами избыточности для исправления 4 битовых ошибок.
Структура кодирования двоичных БЧХ требует побитовых операций, а для РС работа осуществляется с символами. Логическое умножение символов осуществляется с помощью сохраненных таблиц результатов умножения или схемы, вносящей задержку равную длине символа.
Декодирование схоже в обоих исполнениях и требует одинаковых этапов: вычисление значений синдромов, поиск полинома ошибок, определение положения ошибок. При нахождении ошибки в случае двоичного БЧХ ее значение равно единице, для РС это элемент поля и поэтому требуется дополнительный шаг по определению значения.
Рассматриваются два способа реализации БЧХ кодирования: с однобитовым и восьмибитовым параллельно входным интерфейсом. В случае последней реализации предполагается использование метода, не требующего табличных операций. Максимальная задержка, вносимая функциональным блоком кодер/декодер, для РС и БЧХ с восьмибитовым интерфейсом имеет одинаковый порядок - 5000 тактов. С точки зрения использования аппаратных ресурсов, декодер РС задействует порядка 600 регистров и 400 логических операций, а также таблицу 4,5 кбит для выполнения табличных операций. Для вышеупомянутого БЧХ кода показатели следующие: 400 регистров и 1100 логических операций.
Ошибки, возникающие из физической структуры самой памяти, а также радиационное воздействие приводят к появлению случайных битовых ошибок [3]. Коды БЧХ и Рид-Соломона для заданной длины входных данных имеют схожие показатели по задержке, вносимой функциональным блоком кодер/декодер, и используемым аппаратным ресурсам. Но, учитывая характер ошибки и сложность реализации декодера, кодирование БЧХ предпочтительнее для дальнейшей практической реализации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Todd K.M. Error correction coding. Mathematical methods and algorithms - New Jersey: Wiley, 2005. - 756 p.
2. Schmidt H., Walter D., Gliem F., Nickson B., Harboe-Sorensen R., Virtanen A. TID and SEE Tests of an Advanced 8 Gbit NAND-Flash Memory // IEEE Transactions on Nuclear Science. -Aug. 2009. - V. 56, Issue 4. - P. 1937-1940.
3. Micheloni R., Marelli A., Ravasio R. Error correction codes for non-volatile memories -Breinigsville: Springer, 2010. - 337 p.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.