LDPC 填 3D NAND 的坑

作者： MemBlaze 李月宽

 

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无论是2D NAND还是3D NAND，都存在RBER（初始比特出错率）的问题，并且PE（擦写）次数增加，RBER将逐渐变大。有错误就需要纠错，在2D NAND时代， MLC寿命末期的RBER示意如下。

上图共有4096*8个单元，每个单元为1bit，代表一个4KB大小的数据块，红点则是出错的比特（下文图片仍采用这种规范表示NAND的出错率）

对于MLC的这些错误比特，BCH编码即可以完成纠正，这也是2D NAND时代MLC能够成为企业级固态硬盘广泛应用的直接原因（SLC太贵，TLC出错率太高造成硬盘寿命达不到要求）。而3D TLC NAND出错率比2D MLC NAND高出很多，同样是一块4KB大小的数据块，3D TLC NAND寿命末期的出错率大约是下图这样。

寿命后期的3D TLC NAND对于3D TLC NAND的错误率，BCH编码显得非常无力。这就是LDPC应用于新一代PCIe SSD的大背景。

1963年，Gallager在MIT Press上发表了一个名为《Low-Density Parity-Check Codes》的论文，LDPC就此诞生，但是在此之后沉寂了30年，直到上世纪90年代才被重新重视，LDPC码是迄今为止发现的离Shannon 容量限最近的一类码国际上对LDPC 码的理论分析、工程应用以及超大规模集成电路（VLSI）实现等方面的研究都取得了重要进展，LDPC 编码已经广泛应用于光通信、卫星通信、深空通信、4G、高速与甚高速率数字用户线和磁记录等系统中。

在3D NAND时代, LDPC可以充分利用NAND的错误偏移的特点进行解码。下面表格就从BCH和LDPC的实现复杂度以及纠错能力等方面做了对比。

	BCH	LDPC 硬解码	LDPC 硬+软解码
读延时	低	低	中
解码延时	固定时间-短	固定时间-短	多次迭代-长
控制器复杂度	中	高	高
纠错能力	确定性 纠错能力低	概率性 纠错能力高	概率性 纠错能力高
功耗	低	低	高
跨NAND移植性	高	低	低
高出错率纠错能力	没有	低	中

 

从上表可以看出，BCH具有延时低，控制器复杂度低，易实现，同时可以满足2D NAND出错率需求等优点，在上一代产品中各个厂商采用的BCH编码方案。我们的PBlaze3, PBlaze4 PCIe SSD两代产品中同样采用了BCH。由于3D TLC NAND 的出错率太高，BCH 没办法解决，我们选择了LDPC。LDPC 分硬解码和硬+软解码两种。3D TLC NAND在寿命前中后期大量使用硬解码，到了寿命末期部分数据需要使用硬+软解码。LDPC硬解码与BCH比较具有同样的低延时特性，而LDPC硬解码的纠错能力是BCH的2-3倍。LDPC硬+软解码与LDPC硬解码比较优势是可以纠正高出错率，但是延时较高。

下面介绍小LDPC硬解码和硬+软解码的过程。

LDPC硬解码的过程如下：

1. 发送命令读取Flash Channel 连接的NAND 对应Page 的数据

1. 把数据发送给其中一个LDPC ECC 解码单元

2. LDPC ECC 解码单元根据设置的迭代测试进行计算

3. 经过步骤3，如果数据没有错误或者全部错误数据都已经纠正就把数据移动到DDR。

   从上面过程可以看出一次LDPC硬解码仅需要读取一次NAND, 然后尽全力采用多次迭代计算来纠正错误。这种方法延时比较低。NAND到了寿命末期出错率较高，部分Page进行多次迭代计算可能仍然不能全部纠正，这时候就需要硬软都上了。

LDPC硬+软解码的过程如下：

1. LDPC 硬解码失败，发送请求软解码搞定。

2. 固件发送多次读取NAND 上面Page的请求，这里假设是3次读吧。这三次读是比较讲究姿势的。TLC 有Low, Upper 和Extra三类Page, 不同Page 姿势不一样。即使是同类Page调整的幅度也是不同的。另外调整方法和上次的状态，大环境的影响都是相关的。

3. 从NAND 三次读出的原始数据放到DDR 中。

4. 加载Log Likelihood Ratio(LLR ) 表给LDPC 解码单元指定的位置。LLR 表那里来的。这个是NAND 厂的智慧结晶啊。我们是好伙伴。赠送的。

5. 三份原始数据和一个LLR 表都来了，这时候软解码进程就开始了。整个过程硬件会自动的完成。这里也可以通过寄存器控制迭代多少次。

6. 解码完成之后会通过CRC检测是否成功，如果成功纠正的数据就移动到DDR。

你可能会问什么时候LDPC硬解码会失败, 答案是超过控制器的硬解码能力。那控制器的硬解码能力是什么样子的呢。秘密。。。。看下图。错误率超过下图就要用硬+软解码了。

硬解码最大支持的3D TLC NAND出错率

LDPC使得3D-TLC大规模应用于企业级PCIe SSD成为现实，Memblaze在新一代PBlaze系列PCIe SSD中使用3D-TLC作为存储介质，一方面通过采购高质量3D-TLC保障介质在耐擦写能力、性能稳定性等方面处于一个较高的水准，另一方面采用了Microsemi的Belmar控制器，这一控制器的一大特点就是含有8个LDPC引擎，每个LDPC引擎可以达到1GB/s带宽，总共8GB/s带宽。这样的性能足以保障纠错不会成为性能瓶颈。

Memblaze LDPC 方案完美填好3D TLC NAND的坑，为其可靠性保驾护航。

 

Gallager，《Low-Density Parity-Check Codes》，1963

http://www.inference.phy./mackay/gallager/papers/ldpc.pdf

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