Upper Page和Lower Page那些事儿

Ferrya

Upper Page和Lower Page那些事儿

根据Lower page和Upper page的不同特性解决不同的问题，在实际的应用中会带来极好的效果，如：提升性能、大幅提升寿命、解决异常掉电的可靠性安全隐患等等。一些特殊应用或许会带来其他方面的损失，如：提升性能和寿命可能需要牺牲容量等，但这些取舍的操作往往比通用的操作更具有现实意义。

Upper Page和Lower Page的概念在各个Nand Flash厂商的Datasheet中基本没有提及，Datasheet会给出笼统的program时间，这个操作时间是Lower和upper的平均时间，实际上，Upper page的操作时间会比Lower Page的操作时间长3-4倍左右（MLC）。这些结论可以通过NFA100-E很直观的看到：

  i9 Q& [4 j2 i1 `8 Q3 m. J

       最直接的测试数据（时间单位：μs）：

! q2 d. {% j: v* T7 _

那么，到底操作时间短的叫Upper page，还是操作时间长的叫Upper page？Lower Page是所谓的“快页”还是“慢页”？

答案是：Upper Page是操作时间较长的Page，也叫“慢页”；Lower Page是操作时间较短的Page，也叫“快页”。为何如此，后文有分析。

/ ^+ O3 g& J/ j, o* G8 ?

关于LSB和MSB

* W! ]$ q4 |" a5 ]$ z

在谈Upper page和Lower page之前，必须得从两个绕不开词说起：LSB(Least significant bit最低有效位)和MSB（Mostsignificant bit最高有效位）。

MSB是指一个n位二进制数字中的n-1位，具有最高的权值2^(n-1)，在大端序中，MSB即指最左端的位，LSB则相反。

Nand Flash最初始的状态是“11”，在此状态下，左边的1是MSB，右边的1是LSB，所以，对Nand Flash进行Program的过程，就是将“11”中的MSB或者LSB或者二者Program为“0”或者继续保持“1”的状态，由此，cell其实有四种状态，四种状态分布对应不同的Cell电压值：

) @$ c* H4 T3 v: @

11：Erase状态；

2 o+ r( M& ~" X# m  m1 k, i

10：Program 0（LSB被program）

00：Program 0(LSB和MSB被Program)

01：Program 0（MSB被program）

  j! g5 _- j2 n

Upper Page和Lower Page

: k. e! _7 n, f7 G6 ]2 \

那么，LSB和MSB和upper page和Lower page又是什么关系呢？

厂商是这样做的：把MSB和LSB一个物理cell上的两个bit分别映射到两个不同的page上，那么，LSB对应的page就是Lower page，MSB对应的page就是Upper page。美其名曰：sharedpages或者paired pages，具体如何映射，每个厂商各有不同，每一代的Nand Flash的映射方法也不同，例如：34nm和25nm就不一定相同，2D nand和3D Nand也不同，更为悲催的是，有些厂商在datasheet中并不提供对应的表供用户查询。

例如：page32和page64，page75和page138互为shared page，开头和结尾的一些pages（数量不确定，每个厂商都不同，2D nand和3D也不同）有特殊用途，没有分配shared page。

" E' |& @3 N( b, W# b; f8 p8 |1 {

Datasheet没有说明这一对page中，哪个是Upper Page，哪个是Lower Page，事实上，数字小的是Lower Page，数字大的是Upper Page。

. }* j1 Z2 G7 _8 B& l" d. b2 _   那么为什么LowerPage的速度快，Upper page的速度慢呢？这是因为，与Lower page不同，Upper Page在Program时，不仅仅需要自身的阈值电压，还需要知道Lower Page阈值电压分布情况，具体来说：

& d% @% {- b. I7 F    Nand Flash对一个cell的编程必须是从LSB也就是对应的Lower page开始执行编程，那么，LSB将会面临两种状态：

1、如果是写入“1”，Cell的阈值电压不会发生改变，仍然保持“擦除”状态；

# t) G) I! F8 z1 x+ [, \$ p

2、如果是写入“0”，Vth将会升高，直到达到“10”或“00”所需的电压值。

LSB编程完毕，才开始MSB也就是Upper Page的编程，同样：

5 Z* k, f8 j6 k* [) N/ M- p

1、 如果是写入“1”，Vth不会发生改变，仍然保持擦除状态；

2、 如果是写入“0”，那么：

2 @0 L9 y' q+ z5 M5 M3 `4 K$ w

2.1  如果Lower page是“1”，Vth将会升高到“01”；

2.2  如果Lower page是“0”，将会升高到“00”所需电压值；

% R' i$ l+ C& R" ?: t- O6 L. g- j

5 y: T8 Y  n' W2 l, G8 M异常掉电的影响：

0 }' U" U3 F. g

正如上面所述，一个物理cell其实是被两个page所共享，那么，问题就来了，既然一个cell中的两个bit被映射到两个不同的逻辑页中，那么当对其中一个bit进行写入操作时（无论是MSB还是LSB），如果突然掉电，那么，这个cell中的数据势必会丢失，也就是说，两个page中的数据都会出现错误。所以，断电保护的作用就不言而喻。

# G$ C' R9 b7 H/ l5 n7 \& H# u. V

通常情况下，SSD会使用钽电容或者超级电容做断电保护，二者各具优缺点，钽电容更适合宽温环境，但钽电容容量一般都较小，不适合做大容量SSD断电保护，超级电容则不适合高低温环境，更适合做大容量SSD断电保护。

3 R4 _+ ]  ^4 L2 r5 z, X& a# @

fanichicl

谢谢分享