Endurance is a very important issue in NAND flash memory technology. The maximum number of program and erase (P/E) cycles, which is the lifetime of the NAND flash memory cell, falls significantly from single-level cell (SLC) through multi-level cell (MLC) to triple-level cell (TLC). Wear leveling, the general solution used to rectify this issue, enables cells to wear down evenly, but does not actually mitigate the wearing of the cells. Accordingly, techniques are needed for mitigation of cell degradation. This paper proposes Endurance-enhancing Lower State Encoding (ELSE)} scheme as a possible solution. The key insight leveraged by this proposed technique is the data pattern-related characteristic of NAND flash cell wear-out, where the lower cells have state, the less wear-out. When the bit patterns are appropriately changed to make the cell state as low as possible, the wear-out of the flash cell can be substantially reduced.
To verify the efficacy of the proposed technique, we modeled threshold voltage ( $V_{th}$ ) using data from previous studies with actual NAND flash devices and performed experiments to show the improvement of lifetime. The experiments were conducted in both software and hardware implementations to explore the potential of practical feasibility from all possible aspects. Both the implementations are found to have the same effect on lifetime improvements but have different overheads. The results indicate that our proposed technique shows a maximum lifetime improvement of 478\% with negligible or acceptable overheads.
내구성은 낸드 플래시 메모리 분야에서 매우 중요한 문제다. 초기 낸드 플래시 메모리 구조인 단일 레벨 셀에서 이중 및 삼중 낸드 플래시 셀 구조로 기술이 전환됨에 따라, 낸드 플래시 메모리 셀의 수명의 지표가 되는 입력 및 삭제 가능한 최대 횟수는 급격히 감소하였다. 이를 해결하기 위해 가장 보편적으로 웨어 레벨링이 사용되고 있지만, 이는 셀들을 균일하게 닳게 하는 역할을 할 수는 있지만, 닳은 정도 자체를 줄이는 효과는 없다. 따라서, 이 논문에서는 셀의 닳은 정도 자체를 줄이기 위해 낮은 상태 인코딩 기법을 제안하였다. 이 기법은 각 셀에 저장되는 데이터의 값에 해당하는 상태가 낮은 상태일 수록 셀이 닳는 정도가 적다는 점에 착안하였다. 하나의 페이지에 저장되는 비트 패턴을 적절히 변환해 줌으로서, 해당 페이지를 구성하는 각 셀들이 최대한 많은 낮은 상태를 갖게 하여 셀이 닳는 정도를 크게 줄였다.
제안한 기법의 효율성을 검증하기 위하여, 실제 낸드 플래시 장비를 이용한 종전 연구의 모델링 정보를 이용하여 임계 전압 모델을 구현하고 이를 통해 수명 개선 실험을 진행하였다. 실제 구현의 모든 가능성을 알아보기 위해, 오버헤드 실험은 소프트웨어와 하드웨어 구현 모두 수행하였다. 제안된 기법을 적용함으로서 아주 적거나 수용 가능한 성능 및 공간적 오버헤드로 최대 478%의 수명 연장을 달성하였다.
