비트 대신 전압을 사용한 SSD 에뮬레이터 설계와 활용

국문 초록 (Abstract)

최근 SSD(Solid State Drive)는 높은 성능, 낮은 전력 소모, 용량 당 가격을 낮추기 위해 집적도를 높이는 방향으로 발전하고 있다. 이러한 SSD의 집적도를 높이는 방식은 단일 트랜지스터에 여러 데이터를 저장하는 방식과 적층 방식이다. 하지만, 집적도가 높아짐에 따라 전기적 노이즈에 따른 데이터 손실이 발생하여 데이터 신뢰성을 저하시키고 있다.
이러한 신뢰성을 높이기 위해 많은 연구가 진행되었다. 하지만 신뢰성 저하의 주된 원인인 아날로그 신호의 실험 환경은 부족하다. 본 논문에서는 신뢰성 연구를 위한 새로운 낸드 플래시 에뮬레이터인 전압을 사용한 아날로그 에뮬레이터를 제안한다.
디지털 값을 갖는 일반적인 에뮬레이터와 달리 아날로그 에뮬레이터는 문턱 전압 모델링을 통해 아날로그 값으로 데이터를 유지하며 기계학습을 활용한 모델링을 통해 노이즈를 발생시킨다. 이는 낸드 플래시의 endurance, retention, disturbance 에러를 에뮬레이팅 할 수 있다. 우리는 셀, 페이지, 블록 메타데이터를 충분히 활용하여 주기적으로 에러를 에뮬레이팅 하는 것이 아닌 읽기 작업시 2개의 쓰레드 방식으로 에뮬레이팅을 진행하여 부하가 적게 걸리는 방식으로 셀 에뮬레이터를 구현한다.
신뢰성 평가를 위해 셀 에뮬레이터와 실제 TLC(Triple Level Cell), MLC(Multi Level Cell)의 아날로그 신호 중간 값과 평균 표준 편차를 비교한다. 제안한 에뮬레이터의 결과는 아날로그 셀 에뮬레이터와 실제 하드웨어 신호 오차 비율이 대부분 4.3% 이내 라는 것을 보여준다. 마지막으로 아날로그 셀 에뮬레이터를 활용하여 ECC(Error Crrection Code), read-retry 모듈과 함께 NAND flash의 RBER(Raw Bit Error Rate)와 UBER(Uncorrectable Bit Error Rate)를 측정한다. 이는 기존 에뮬레이터로 할 수 없었던 아날로그 신호 실험이 가능함을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• List of Tables ⅳ
• List of Figures ⅴ
• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 관련 연구 4
• 2.1 2D와 3D 낸드 플래시 구조 4
• 2.2 낸드 플래시 메모리의 작동 원리 5
• 2.3 낸드 플래시 메모리의 노이즈 8
• 2.4 낸드 플래시의 신뢰성 향상 기법 9
• 2.5 FEMU 10
• Ⅲ. 연구 동기 11
• 3.1 기존 에뮬레이터의 한계 11
• Ⅳ. 비트 대신 전압을 사용한 에뮬레이터 구현 13
• 4.1 아날로그 문턱 전압 모델링 13
• 4.2 아날로그 노이즈 모델링 15
• 4.3 부하를 줄이는 방법 17
• 4.4 알고리즘 17
• 4.5 아날로그 에뮬레이터의 메모리 사용량 18
• Ⅴ. 아날로그 신호의 기계 학습 분석 20
• 5.1 Endurance 분석 20
• 5.2 Retention 분석 21
• 5.3 Disturbance 분석 21
• 5.4 아날로그 신호의 MSE (Mean Square Error) 25
• Ⅵ. 실험 결과 및 활용 26
• 6.1 에뮬레이터 아날로그 신호의 노이즈 및 신호 경향 분석 26
• 6.1.1 MLC 26
• 6.1.2 TLC 28
• 6.2 에뮬레이터의 신뢰성 검증 30
• 6.3 에뮬레이터의 지연 시간 31
• 6.4 에뮬레이터의 활용 31
• 6.4.1 MLC 33
• 6.4.2 TLC 33
• 6.5 Normal read-retry VS Sample read-retry 34
• Ⅶ. 결론 36
• 참고문헌 37
• Abstract 41