SSD产品中的工业温度和NAND闪存

介绍

当今市场上许多基于 NAND 闪存的 SSD 产品都被标榜为“工业级”或支持“工业温度”（通常为 -40°C 至 85°C）操作。这些 SSD 产品通常在发货前在整个温度范围内进行功能屏幕测试。然而，温度对 SSD 数据保留和耐用性的影响却很少被指定或讨论。NAND闪存存储和保留数据的能力取决于NAND闪存在写入期间以及从写入数据到读取数据期间所经受的温度。NAND 闪存经历的温度越高，电荷去捕获机制的加速就越快，从而可能导致随机数据位故障。NAND 耐用性也会受到影响，因为耐用性与数据保留呈反比关系，并且 NAND 单元的磨损率受到编程和擦除 NAND 时温度的影响。本文介绍了这些影响，并为基于 NAND 闪存的数据存储系统在不同温度下的运行提供了一些指导。

NAND闪存

浮栅晶体管是全闪存技术的构建模块。

在浮栅晶体管中，浮栅和衬底之间存在绝缘氧化层。当高于单元阈值 (Vt) 的电压施加到顶栅时，晶体管“导通”并传导电流。为了防止晶体管传导电流，通过向顶栅施加高电压迫使电子穿过薄氧化层。这是写入（或编程）NAND 单元的过程。为了擦除单元，将衬底阱升到高电压，迫使电子通过氧化层从浮栅返回到衬底中。为了读取 NAND 单元，将高于 Vt 的电压施加到顶栅，并且感测放大器感测晶体管中流动的电流，从而提供有关单元中存储的电荷量的信息。

电荷去捕获和位翻转

写入和擦除 NAND 单元的重复电子隧道机制导致隧道氧化层中电荷陷阱的积累。一些陷阱很深，终累积到隧道氧化物在不施加输入电压的情况下变得导电的程度，并且单元不再能够存储电荷。此时，对 NAND 进行编程将导致编程失败，整个块必须被 SSD 标记为“坏”。

其他陷阱很浅，当它们收集电荷时，会抑制单元的正常编程。浅陷阱在单元被编程后立即开始去陷阱，导致单元阈值从通过 NAND 编程算法设置的电平降低，从而导致潜在的“位翻转”。此外，随着时间的推移，NAND 单元内的电荷会自然地释放，这是 NAND 数据保留的限制因素。

暴露在高温下会加速存储电荷的释放，而 NAND 闪存所承受的温度是一个关键因素。阿伦尼乌斯方程描述了给定温度 (T) 和活化能 (Ea) 下的反应速率，可用于计算 NAND 闪存单元的电荷释放捕获加速度。

JEDEC NAND标准中的阿伦尼乌斯方程计算示例

JEDEC NAND 可靠性规范 JESD47H 规定，在 125oC 下烘烤 10 小时相当于在 55oC 下保留 1 年的数据。 阿伦尼乌斯方程得出从 55oC
到 125oC 的加速
因子为 939 10 小时加速 939 倍，即 9,390 小时 ~ 1 年（8,760 小时）

需要注意的是，NAND闪存在编程后所经历的温度和持续时间是决定加速因子的关键部分。下表显示了 NAND 相对于 55oC 温度的加速因子。例如，对于指定数据保留期为 1 年的 NAND 器件，与 55oC 下存储相比，85oC 下存储将使电荷释放机制加速 26 倍。

在 NAND 单元寿命结束时，当设备已循环通过制造商指定的编程擦除（耐用）周期数时，如果长时间存储或读取 NAND，则可能会发生数据丢失在高温下。相反，当 NAND 在低于 55oC 的温度下存储或读取时，加速因子变得小于 1，并且 NAND 数据保留时间相对于规格有所延长。

应该注意的是，在 NAND 额定寿命结束时，NAND 设备通常不会面临立即故障的危险。NAND 制造商的耐用等级通常指定为确保随着时间的推移出现的坏块数量将在可预测的百分比限制内，并且根据 JESD47H.01，NAND 将能够在 55oC 下保留数据 1 年。超出耐用极限后，块可能会以更快的速度变坏，并且驱动器的数据保留能力会减弱。对驱动器可靠性的影响取决于驱动器控制器的介质管理能力。

温度和误码率

随着时间的推移，NAND 单元可能会丢失足够的电荷并翻转足够的位，从而压垮驱动控制器的 ECC 功能并导致数据丢失。温度对可靠性影响的另一个例子是，在不同温度下写入循环到固定 P/E 计数时，NAND 的原始误码率 (RBER) 存在差异。WD内部测试数据显示了RBER和温度之间的以下关系。

数据显示，在 -40oC 下编程至其耐用极限的 NAND 将比在 25oC 下编程的 NAND 具有更高的 RBER，并且比在 85oC 下编程的 NAND 更高。相对于较高温度下的编程，在低温下对NAND进行编程的操作增加了单元氧化层的退化速率。