CN104866246A - 一种混合固态硬盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备存储设备技术领域，尤其涉及一种混合固态硬盘，该混合固态硬盘包括存储控制器以及由新型非易失性存储芯片和闪存存储芯片构成的存储阵列，较传统NAND或NOR型闪存的固态硬盘，读写速度更快，擦写寿命更长；相比于最新技术的基于新型非易失性存储器的固态硬盘，成本低且集成度高，有利于节省固态硬盘的功耗和成本。

Description

一种混合固态硬盘

技术领域

本发明涉及电子设备存储设备技术领域，尤其涉及一种混合固态硬盘。

背景技术

随着科技的发展，NAND(NOT AND)型混合固态硬盘已经成为目前主流的非易失存储技术，广泛应用于数据中心、个人电脑、手机、智能终端、消费电子等各个领域，而且仍然呈现需求不断增长的局面。图1所示为传统硬盘结构图，随着科技的发展，固态硬盘技术与传统硬盘技术不同，所以产生了不少新兴的存储器厂商，厂商只需购买NAND存储颗粒，再配以适当的控制芯片，就可以制造固态硬盘了，如图2所示，新一代的固态硬盘普遍采用SATA接口，与传统的机械硬盘兼容。一般的NAND存储器可以分为单层单元NAND(SLC，single-level cell)，多层单元NAND(MLC，multi-level cell)和TLC(triple-level cell)以及3D堆叠NAND。为了提高固态硬盘的读取速度，目前采取一种异构NAND型固态硬盘结构如图2所示，进而可以综合单层单元NAND和多层单元NAND各自的优点，实现大容量的固态硬盘时也同时具备高速的读写性能。

但随着半导体工艺技术代的不断推进,闪存遇到了越来越多的瓶颈问题,比如浮栅厚度不能随着器件尺寸的缩小而无限制地减薄。此外，闪存的其它技术缺点也限制了其应用,如操作电压高、写入速度慢等。3D制程的非易失性存储器技术是一种将存储单元从平面改为3D垂直堆积的技术，例如现在技术逐渐成熟的3D相变存储器技术(PCM)，因此每一个芯片的存储密度可以做的很大，比如Intel正在研发的3D相变存储器，每个芯片的存储容量可以达到128Gb或者256Gb，在不远的将来甚至更高，比如达到Tb量级。

3D制程的非易失性存储器存储容量大，读写速度快，但是成本高，而传统NAND或NOR型固态硬盘读写速度慢，擦写寿命短，因此，如何制作存储容量大、读写速度快且擦写寿命长的固态硬盘成为本领域技术人员面临的一大难题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种混合固态硬盘，包括由新型非易失性存储芯片和闪存存储芯片存储构成的存储阵列、控制存储器和逻辑电路层，其中逻辑电路层中设置有新型非易失性存储芯片的***电路和存储控制器电路，该技术方案具体为：

一种混合固态硬盘，其中，所述混合固态硬盘包括：

存储阵列芯片，包括新型非易失性存储芯片阵列和闪存存储芯片阵列，以非易失的存储数据；

存储控制器，与所述存储阵列芯片连接，执行固件程序和算法，控制对所述存储阵列芯片的读、写以及擦除操作，与***设备进行数据传输。

上述的混合固态硬盘，其中，所述新型非易失性存储芯片阵列包括相变存储器芯片阵列、磁阻存储器芯片阵列、铁电存储器芯片阵列和电阻存储器芯片阵列。

上述的混合固态硬盘，其中，所述闪存存储芯片阵列包含NAND和/或NOR型闪存存储芯片阵列。

上述的混合固态硬盘，其中，进一步的，所述新型非易失性存储芯片为3D制程的非易失性存储芯片，且：

所述3D制程的新型非易失性存储芯片包含有逻辑电路层，该逻辑电路层包括第一区域和第二区域，所述第一区域制备有所述3D制程的非易失存储芯片的***逻辑电路，所述第二区域制备有所述存储控制器电路，以实现将所述存储控制器电路同所述3D制程的新型非易失性存储器芯片集成在同一颗芯片内。

上述的混合固态硬盘，其中，所述混合固态硬盘的对外接口还可以为符合EMMC协议标准的接口，以用于实现嵌入式多媒体卡功能。

上述的混合固态硬盘，其中，所述闪存存储芯片的FTL数据保存至所述新型非易失性存储芯片中。

上述的混合固态硬盘，其中，所述FTL数据包括所述混合固态硬盘的操作***、固件程序、算法和逻辑地址到物理地址的映射表。

上述的混合固态硬盘，其中，所述算法包括损耗均衡算法、垃圾回收算法和空间分配算法。

上述的混合固态硬盘，其中，所述混合固态硬盘包括自学习模块，该功能通过软件或硬件的方式实现，以将所述闪存存储芯片阵列中擦写最频繁的数据转存至所述新型非易失性存储芯片中。

上述的混合固态硬盘，其中，所述自学习模块包括：

数据获取单元，获取所述混合固态硬盘的闪存存储芯片中被访问的用户应用程序和/或数据；

存储单元，存储所述数据获取单元获取到的用户应用程序和/或数据；

统计模块，统计所述存储单元中的应用程序和/或数据，得出访问频率超过一阈值的用户应用程序和/或数据；

转存模块，将所述访问频率超过阈值的用户应用程序和/或数据转存至所述新型非易失性存储芯片。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本技术方案提供的一种混合固态硬盘，较传统NAND或NOR型闪存的固态硬盘，读写速度更快，擦写寿命更长；相比于最新技术的基于新型非易失性存储器的固态硬盘，成本低且集成度高，有利于节省固态硬盘的功耗和成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为传统的固态硬盘结构示意图；

图2为一种异构NAND固态硬盘结构；

图3为本发明一优选实施例中一种混合固态硬盘结构；

图4为本发明另一实施例中一种混合固态硬盘结构；

图5为本发明3D制程的非易失性存储器芯片侧面图；

图6为本发明3D制程的非易失性存储器芯片俯视图；

图7A-7B本发明一种FTL数据存储方法结构示意图；

图8A-8B本发明增加自学习模块的混合固态硬盘结构示意图；

图9为传统的EMMC结构示意图；

图10为基于本发明存储器结构的EMMC示意图。

具体实施方式

参见图3所示结构，本发明提供一种混合固态硬盘，其中，该混合固态硬盘包括：

存储阵列芯片，包括新型非易失性存储芯片阵列和闪存存储芯片阵列，以非易失的存储数据；

存储控制器，与存储阵列芯片连接，执行固件程序和算法，控制对所述存储阵列芯片的读、写以及擦除操作，与***设备进行数据传输。

作为本发明一个优选实施例，新型非易失性存储芯片阵列包括相变存储器芯片阵列、磁阻存储器芯片阵列、铁电存储器芯片阵列和电阻存储器芯片阵列。

作为本发明一个优选实施例，闪存存储芯片阵列包含NAND和/或NOR型闪存存储芯片阵列。

作为本发明一个优选实施例，参见图4所示结构，新型非易失性存储芯片为3D制程的新型非易失性存储芯片。采用3D制程的新型非易失性存储芯片技术是一种将新型非易失性存储单元从平面工艺改为3D垂直制造工艺的技术，存储单元做在硅片之上，而且可以堆叠很多层，因此每一颗芯片的存储密度可以做的很大，由于3D制程的新型非易失性存储芯片的存储阵列位于在硅片之上，因而硅片之下会留有很多空间来制造晶体管逻辑电路。随着对存储容量的需求越来越大，硅片之上的存储阵列也就越来越大，而相应的硅片之下的逻辑电路却增加不多，因此会空出很多区域空间。

参见图5所示结构，3D制程的新型非易失性存储芯片还包括硅衬底1、逻辑电路层2和存储阵列3。

在此基础上，进一步的，参见图6所所示结构，3D制程的新型非易失性存储芯的逻辑电路层2包括第一区域4和第二区域5，第一区域制备有3D制程的非易失存储芯片的***逻辑电路，例如升压电路、译码电路、感应电路、控制电路以及IO电路等，该电路仅仅占整个逻辑电路层2很少的部分，因为3D存储阵列占据了很大的部分。第二区域制备有存储控制器电路，以实现将存储控制器电路同3D制程的新型非易失性存储器芯片集成在同一颗芯片内。该方案大大增加了芯片集成度，提高了3D制程的新型非易失性存储芯片硅衬底面积利用率，减少了混合固态硬盘的母板走线，有利于节省混合固态硬盘的功耗和成本。

作为本发明一个优选实施例，逻辑电路层的面积不小于存储阵列层的面积。

作为本发明一个优选实施例，混合固态硬盘的对外接口还可以为符合EMMC协议标准的接口，以用于实现嵌入式多媒体卡功能。

作为本发明一个优选实施例，闪存存储芯片的闪存转换层(FlashTranslation Layer，FTL)数据保存至新型非易失性存储芯片中。

作为本发明一个优选实施例，参见图7A和图7B所示结构，闪存存储芯片阵列包括若干个新型非易失性闪存存储芯片，将所有闪存存储芯片的FTL数据保存到新型非易失性存储芯片阵列中，FTL数据包括混合固态硬盘的操作***或固件程序、算法(例如损耗均衡算法、垃圾回收算法、空间分配算法等)以及逻辑地址到物理地址的映射表。其中，新型非易失性存储芯片可以指3D制成的非易失性存储芯片。

作为本发明一个优选实施例，混合固态硬盘包括自学习模块，通过软件或硬件实现自学习功能。

作为本发明一个优选实施例，自学习模块将闪存存储芯片阵列中擦写最频繁的数据转存至新型非易失性存储芯片中。

作为本发明一个优选实施例，自学习模块包括：

数据获取单元，获取混合固态硬盘的闪存存储芯片中被访问的用户应用程序和/或数据；

存储单元，存储数据获取单元获取到的用户应用程序和/或数据；

统计单元，统计存储单元中的应用程序和/或数据，得出访问频率超过一阈值的用户应用程序和/或数据；

转存单元，将访问频率超过阈值的用户应用程序和/或数据转存至新型非易失性存储芯片。

上述的混合固态硬盘，其中，所述***设备为具有数据读取/存储功能的电子设备。

传统的闪存存储芯片损耗均衡算法是将那些擦除次数较多的存储块中的数据另存到那些擦除次数较少的存储块中，目的是让闪存中所有的存储块都参与到擦除的过程中，尽量让各存储块都有相近的擦除次数，但是这种算法会产生不必要的擦除操作(因为要进行数据的转存)，也就损失了闪存存储芯片的可擦写次数。

参见图8A和8B所示结构，本发明较传统的闪存存储芯片损耗均衡算法不同，本发明的混合固态硬盘还包括自学习模块，其中，数据获取单元获取混合固态硬盘的闪存存储芯片中被访问的用户应用程序和/或数据，然后存储单元存储数据获取单元获取到的用户应用程序和/或数据，继续统计单元统计存储单元中的应用程序和/或数据，得出访问频率超过一阈值的用户应用程序和/或数据，最后转存单元将访问频率超过阈值的用户应用程序和/或数据转存至新型非易失性存储芯片。该自学习功能可以通过硬件或者软件来实现，由于本发明新型非易失性存储芯片的可擦写寿命要比闪存存储芯片要高得多，因而能够提高本发明混合固态硬盘中闪存存储芯片阵列的擦写寿命，而且还可以避免闪存存储芯片中由于损耗均衡算法带来的额外的擦除操作，因而整个混合固态硬盘的寿命会大大增加。

此外，通过一段时间内对用户使用习惯的学习，将混合固态硬盘中闪存存储芯片阵列中最经常被访问(读写)的用户应用程序和/或数据保存到本发明的新型非易失性存储芯片中，当下次再对这部分应用程序和/数据进行读写时，可直接对存储于新型非易失性存储芯片中的这部分应用程序和/数据进行访问操作，避免去访问速度较慢的闪存存储芯片阵列，从而能够提高本发明混合固态硬盘的读写速度和性能，同时也能够改善闪存存储芯片的寿命和稳定性。

如下列举一具体实施例进行阐述：

本发明的混合固态硬盘也可以用于实现嵌入式多媒体卡(EMMC)。EMMC是基于闪存的一种存储器，其结构极其简单，广义上TF卡、SD卡亦属于EMMC。传统的EMMC结构如图9所示，其体积超小、低复杂度、高度集成、低布线难度，作用类似于硬盘。它广泛应用于平板电脑、手机的机身内存。而应用本发明这种混合固态硬盘结构，也能够实现EMMC，如图10所示。EMMC中的存储控制器电路同3D制程的非易失性存储芯片内的***电路集成在一起(在硅衬底之上是3D制程的新型非易失性存储阵列；在硅衬底之下是3D制程的非易失性存储芯片内的***电路和EMMC的存储控制器电路)。存储控制器电路中不仅包含控制核心，还包含访问存储器及闪存存储芯片阵列的I/O接口电路以及与外界交互的多媒体卡I/O接口。可见，本发明这种EMMC芯片集成度更高，容量也更大，而且读写速度和寿命也比传统的EMMC要好得多，因而是一种性能非常优越的EMMC。

综上所述，本发明公开了一种混合固态硬盘，包括存储控制器以及由新型非易失性存储芯片阵列和闪存存储芯片阵列构成的，较传统NAND或NOR型闪存的固态硬盘，读写速度更快，擦写寿命更长；相比于最新技术的基于新型非易失性存储器的固态硬盘，成本低且集成度高，有利于节省固态硬盘的功耗和成本。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种混合固态硬盘，其特征在于，所述混合固态硬盘包括：

存储阵列芯片，包括新型非易失性存储芯片阵列和闪存存储芯片阵列，以非易失的存储数据；

存储控制器，与所述存储阵列芯片连接，执行固件程序和算法，控制对所述存储阵列芯片的读、写以及擦除操作，与***设备进行数据传输。

2.如权利要求1所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述新型非易失性存储芯片阵列包括相变存储器芯片阵列、磁阻存储器芯片阵列、铁电存储器芯片阵列和电阻存储器芯片阵列。

3.如权利要求1所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述闪存存储芯片阵列包含NAND和/或NOR型闪存存储芯片阵列。

4.如权利要求1所述的混合固态硬盘，其特征在于，进一步的，所述新型非易失性存储芯片为3D制程的非易失性存储芯片，且：

所述3D制程的新型非易失性存储芯片包含有逻辑电路层，该逻辑电路层包括第一区域和第二区域，所述第一区域制备有所述3D制程的非易失存储芯片的***逻辑电路，所述第二区域制备有所述存储控制器电路，以实现将所述存储控制器电路同所述3D制程的新型非易失性存储器芯片集成在同一颗芯片内。

5.如权利要求1所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述混合固态硬盘的对外接口为符合EMMC协议标准的接口，以用于实现嵌入式多媒体卡功能。

6.如权利要求1所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述闪存存储芯片的FTL数据保存至所述新型非易失性存储芯片中。

7.如权利要求6所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述FTL数据包括所述混合固态硬盘的操作***、固件程序、算法和逻辑地址到物理地址的映射表。

8.如权利要求7所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述算法包括损耗均衡算法、垃圾回收算法和空间分配算法。

9.如权利要求1所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述混合固态硬盘包括自学习模块，该功能通过软件或硬件的方式实现，以将所述闪存存储芯片阵列中擦写最频繁的数据转存至所述新型非易失性存储芯片中。

10.如权利要求9所述的混合固态硬盘，其特征在于，所述自学习模块包括：

数据获取单元，获取所述混合固态硬盘的闪存存储芯片中被访问的用户应用程序和/或数据；

存储单元，存储所述数据获取单元获取到的用户应用程序和/或数据；

统计模块，统计所述存储单元中的应用程序和/或数据，得出访问频率超过一阈值的用户应用程序和/或数据；

转存模块，将所述访问频率超过阈值的用户应用程序和/或数据转存至所述新型非易失性存储芯片。