爱情的期限有多久？对很多人来说，最希望的是百年好合。
悟空说：”曾经有一段真挚的感情摆在我的面前，我没有珍惜，直到失去后才后悔莫及，人世间的痛苦莫过于此，如果再给我一次机会的话，我会对那个女孩说我爱你，如果非要在这段感情加上一个期限，我希望是一万年。”
一万年很久吗？对于仙人来说，一万年太短。最近热播的电视剧《三生三世，十里桃花》里面，墨渊和白浅的缘分历经三生三世，总共超过7万年。
看完别人的感情期限，我们再来聊聊现实一点的：闪存的数据能保存多久？这个保存期限叫做Data Retention，数据出错的标志就是从NAND Flash读出来的数据无法用ECC纠错成功。我们知道NAND Flash一般有以下错误：
- 电气问题：比如虚焊或者芯片故障，导致正常命令无法执行或者数据错误率异常高。这种都在NAND或SSD出厂测试时被发现。
- Read/Program/Erase失败：基本命令执行失败，通过status可以读到状态。这些在芯片使用过程中也有可能发生，但是概率非常小。
- ECC纠错失败：其实就是数据错误率太高，超过了纠错算法的纠错能力。这种错是Data Retention错误，在所有错误中发生概率最高。
NAND数据保存出错的原因是随着时间流逝产生的电荷泄露。有一种防止数据保存出错的技术叫做动态刷新，就是定期对数据进行读扫描，如果发现错误率较高，但在纠错能力以内，就纠正错误，把数据写到新的地方。不过这样做有三个缺点，一个是增加写放大，缩短了SSD寿命，另一个是后台读写影响了用户使用的性能。另外对功耗要求高的消费级SSD要求在用户没有读写时，SSD就要休眠，所以也没机会扫描数据了，如果强行扫描就增加了功耗。
SSDFans微信群里有一位大牛群友蔡宇（Yu Cai）博士，他曾经在Carnegie Mellon University读博士，专门研究NAND Flash纠错，后来去LSI做这方面研发。阿呆这次根据他的一篇论文来介绍他对NAND数据保存的分析。
上图是一个NAND基本单元浮栅晶体管的截面图。最上面是控制层，中间是浮栅层，浮栅上面是多晶硅氧化层，下面是隧道氧化层。控制电压很高的时候，会产生量子隧穿效应，电子从衬底Substrate出发，穿过隧道氧化层，进入浮栅保存起来，就完成了写操作，充电了。反之，在控制层加很强的负电压，电子就从浮栅量子隧穿，回到衬底，这个操作叫做擦除。不过，控制层不加电压的时候，在氧化层依然有一个电场产生，叫做本征电场，它是由浮栅里面的电子产生的。在这个电场的作用下，电子会从浮栅慢慢泄露，泄漏的多了，数据就会发生错误。从写入操作，到电子慢慢泄漏，直到数据出错，这个期限叫做数据保存期，在SLC时代，这个时间很久，有好几年，但是到了TLC时代，就不到一年，有的只有几个月。
那为什么NAND Flash用的越久，数据保存越短呢？这要怪一个效应：Trap-assisted tunneling (TAT)。看看上图中的b，我们知道隧道氧化层是绝缘的，但是随着NAND的使用，历经很多次的擦写，氧化层和浮栅层的爱情终于要走到终点了，因为经过这么年风风雨雨，氧化层老了，有不少通过它的电荷被滞留下来，绝缘体有了导电性。这下，电荷从浮栅跑的就更快了。所以，NAND擦写次数越多，数据保存时间就越短。到最后额定擦写次数快到的时候，比如3000次，刚写的数据很容易出错。
不过，氧化层并不是总是在截留电荷，有时候它拦截的电荷也会离开，叫做Charge de-trapping。只不过离开的既有正电荷，也有负电荷，所以对阈值电压的影响是双向的。
那阈值电压是个什么东东呢？通过控制电压的调整，在Source和Drain之间会产生一条导电沟道，能导通的最小控制电压叫做阈值电压Vth。而阈值电压跟浮栅层电荷数量有关，电荷越多，阈值电压越大。MLC就是根据浮栅里面电子的多少，把阈值电压分为4个状态，来表示2bit数据。第一个状态就是啥都没写，如下图是后三种状态。这是蔡大侠做的实验，把NAND擦了8000次，然后写数据，放了四十天。为什么要擦8000次呢，因为这时候NAND比较脆弱了，数据保存错误表现得很明显。分别在不同时间段去查看阈值电压的分布（要想知道阈值电压的测量方法请加nanoarch为好友，加ssdfans微信群请教蔡大侠，或者去翻他的论文）。
通过这张图，蔡大侠发现了几个秘密：
1. 随着时间流逝，P2和P3的电压慢慢变小。下面这张图是三个状态平均电压的变化曲线，很明显，P2和P3一直在下降。这是为什么？因为P2和P3的时候，浮栅层电子比较多，导致本征电压比较大，电荷流失快。
2. 随着时间流逝，三个状态的峰变宽了。下面的图是阈值电压的方差，方差越大，意味着变化越大，可以看出，方差一直在增长。这有两个原因，一个之前说的，氧化层拦截的电荷会有可能离开，有正有负，阈值电压也受影响；其二，由于工艺原因，每个Flash浮栅晶体管都是不一样的，尽管浮栅层电子一直在流失，有的流失快，有的慢，导致大家的电压慢慢分开。
3. 阈值电压高的状态电压偏移的更快。可以理解，阈值电压越高，浮栅层电子越多，本征电压越大，流失电子越快。
我们来看看MLC的读流程。首先我们来问一个问题：为什么NAND写数据要随机化？因为随机化之后，fig.2 中的四个状态是相同概率的，所以相邻两个状态的电压分布可以充分隔离。反之，可以想象分布多的状态比较宽，少的比较窄。
MLC一个晶体管存储了两个bit，分别是低位的LSB和高位的MSB，读的时候，先以P1和P2中间为参考电压，获得LSB数据，接着根据LSB结果，以P0和P1或P2和P3中间为参考电压，获得MSB数据。由于电压分布随时间发生偏移，所以如下图，最佳参考电压也慢慢下降。而且P2和P3的中间电压比P1和P2的中间电压下降快。
所以在NAND使用过程中，如果一直以一套电压标准读所有数据，就有可能出错。如下图，数据放了28天后有一个自己最佳参考电压，但是分别拿其他时间的最佳电压去读28天的数据，相隔越远，数据错误率RBER（Raw Bit Error Rate）越高。最后是用28天数据最佳电压都的结果，错误率最低，和0天的相比，差了4.6倍。
这就是NAND厂商提供Read Retry机制的原因，读出错之后通过换一套电压去重读，是有可能恢复数据的。通过重读的机制，可以延长NAND Flash的使用寿命。如下图，假设所有的数据写完放了7天后读，在不同的擦写次数P/E Cycle时分别用0-7天的最佳参考电压去读，可以看出，用7天的最佳参考电压读可以最晚达到ECC纠错能力的极限。相比最差的0天参考电压，可以延长1万次！
那么，不同Page和Block的数据保存期一样吗？根据蔡大侠的研究，同一个Block里面的Page有着同样的数据保存期，差别基本在一天以内。而不同Block的数据保存期差别很大。所以蔡大侠提出了一个算法：不用传统的Read Retry，而是每天和每次上电对每个Block的最后一个Page进行采样，获得最佳参考电压。之后如果发生读错误，就从这个最佳参考电压开始重读，之后电压依次降低。这样减少了重读的次数，提升纠错速度。
另外，这种方法还能提升ECC纠错速度。为什么？且听下回分解。
参考：
Yu Cai等，Data Retention in MLC NAND Flash Memory: Characterization, Optimization, and Recovery
