Upper Page和Lower Page那些事儿

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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。

* [. C- r3 S2 T7 i5 f

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：

       最直接的测试数据（时间单位：μs）：

0 _3 u3 z1 K* X$ i

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”？

8 ^: @% |0 V0 d6 P( Z( B* m

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。

关于LSB和MSB

' v/ ^+ G1 A3 q& M4 u. z' Y- F

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）。

5 ?3 l# d0 O6 f* w. g- n

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：

0 r9 {6 ^7 A7 ~9 Z8 u0 i

7 I& \* [; X* ], k/ |% J

11：Erase状态；

10：Program 0（LSB被program）

* S9 p& a* n4 ]; `

00：Program 0(LSB和MSB被Program)

01：Program 0（MSB被program）

4 D( Z$ |' [) ^! H+ x8 V

Upper Page和Lower Page

5 c- ?0 a1 b' F& G, f' w6 l% H

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

: v7 G( C) a+ S3 H1 a

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。

0 {! o  I" ]3 ~! s; z% I

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。

2 @3 b  p, k1 }4 S0 J' h

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。

2 J! a) y! M# l4 T# B) A

   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：

# }8 P, D5 b( n3 s

    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：

5 m( O0 p: A5 D+ M+ Y* a0 b

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；

& |! ~# s0 v; h$ L9 ~

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：

1、 如果是写入“1”，Vth不会发生改变，仍然保持擦除状态；

5 N1 K7 Q) s' Z% b( y" D  F6 R

2、 如果是写入“0”，那么：

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2.1  如果Lower page是“1”，Vth将会升高到“01”；

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2.2  如果Lower page是“0”，将会升高到“00”所需电压值；

7 P) w$ u  Q. G" y, q3 e0 @/ i

3 M% A$ X: B+ r. ?异常掉电的影响：

& E+ w8 V. h" n3 |6 ]

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。

2 s! s, Q3 O8 Z  |- E

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。

fanichicl

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