[01160292]面向高密度NAND闪存的高效纠错码与信号处理理论及技术研究

1.课题来源与背景：本项目属于计算机与通信技术领域,来源于国家自然科学基金面上项目-面向高密度NAND闪存的高效纠错码与信号处理理论及技术研究（批准号：61471131,研究时间：2015.1-2018.12）的资助。在大数据云服务时代,急剧增长的海量信息对数据存储、读取提出了新的挑战。尽管传统的机械硬盘还在采用一些新的技术来降低访问延迟、提高记录密度,但因其机械构造的原因,无法从根本上解决读写缓慢、能耗高的问题。而且其存储密度正在逐步接近物理极限,因此上限制了其在智能手机、以及其他便携式电子设备和下一代绿色存储解决方案中应用。高密度NAND闪存基于现有的半导体集成电路技术,通过在一个存储单元中存储多个比特实现了存储容量的快速提升,因此在当前具有更大优势。NAND闪存已成为支撑智能时代的主要的数据存储器件,但随着其制程尺寸的进一步缩减、多比特/单元存储技术的引入,如何有效提高存储可靠性成为当前面临的一个主要挑战。 2. 研究目的与意义：本研究旨在深入了解高密度NAND闪存信道各类噪声的作用机理,从而为闪存信道建模提供支撑,在此基础上,提出高效的信道检测算出、纠错码构造方法,以及低复杂度,快速迭代收敛的译码算法,其目的是为了改善基于NAND闪存的固态存储设备的可靠性和使用寿命。本项目的研究,有助于丰富面向非易失数据存储领域的差错控制与信号处理理论及技术。 3. 主要论点与论据：项目组搭建了完整的NAND闪存测试、信道检测与编译码算法验证的平台,将NAND闪存存储建模为特殊的通信系统,通过大量的信道测试,深入了解了信道特性及噪声作用机理,在此基础上,利用信号处理和差错控制技术,从信道检测方面降低读取时延,从差错控制层面来提高存储可靠性,综合检测和编码,降低了底层算法的实现复杂度,理论分析及验证,可使得NAND闪存使用寿命延长50%。在本项目资助下,课题组发表期刊论文16篇,其中SCI期刊论文14篇,获授权发明专利5件,阐明算法机理,通过不同方式进行了验证。 4. 技术的创造性与先进性：（1）结合信道对数似然比量化带来的复杂度不等问题,基于闪存信道的先验信息分布特征,提出了一种融合先验信息分布特性的非均匀量化方案,构造了非均匀量化函数。该量化方法在使用较少量化比特时,能获得更加优异的量化性能,同时可降低运算复杂度。（2）围绕固态存储控制芯片中译码时延问题,首次引入基于可靠度的大数逻辑迭代译码算法和基于可靠度的min-sum迭代译码算法,大幅降低了运算复杂度。同时,通过动态加强与错误校验节点相连的变量节点消息传递,提出了两类消息调度策略,加快了迭代译码算法的收敛速度。（3）针对NAND闪存阈值电压受噪声干扰导致的检测困难问题,提出了一种基于单元状态统计的阈值电压高效检测方案,该方案不需要预知阈值电压的概率密度函数,可通过离线和在线相结合的方法,实现对参考电压的快速优化。（4）在结构化LDPC码设计构造方面,发展了外信息转移函数（PEXIT）理论,构造了多种低复杂度、高性能的原模图LDPC码,并分析了上述原模图码在不同信道中的渐近纠错性能。 5. 技术的成熟度,适用范围和安全性：项目技术算法比较成熟,需要结合应用软件进行优化。项目技术适用于固态存储控制芯片研发企业,存储芯片测试设备开发企业,NAND闪存芯片制造企业,为提升产品竞争力,优化产品设计提供支撑。 6. 应用情况及存在的问题：目前已与多家固态存储控制芯片研发企业进行初期合作,应用涵盖了消费级和企业级固态存储设备。 7. 历年获奖情况：无。