天碩（TOPSSD） G40系列工業級固態硬盤采用自研主控及全鏈路國產化替代方案，可在 -40℃~85℃ 寬溫范圍內穩定運行；遵循國家軍用標準進行設計驗證，更能勝任嚴苛環境下的長時任務。系列產品長期服務軍用嵌入式計算機、指揮控制系統、雷達、電子對抗、軌道交通與高端工業自動化等關鍵應用，是艦載、機載、裝甲車輛等裝備的優選核心部件。

摘要：本文將以通俗的語言解釋閃存閾值電壓分布圖的概念、繪制方法及其關鍵電壓。文章還介紹了分布圖在直觀理解閃存可靠性及診斷數據出錯原因方面的作用。在此基礎上，針對工業、軍規、航天等對可靠性要求極高的場景，闡述了天碩（TOPSSD）自研主控與固件的價值。

一、什么是閾值電壓分布圖？

我們可以把閃存芯片想象成由無數個小開關（存儲單元）組成的陣列。每個開關都有一個“門檻電壓”，也就是閾值電壓。如果我們在開關的控制端加一個電壓，當這個電壓高于門檻時，開關就導通（表示一種狀態）；低于門檻時，開關就斷開（表示另一種狀態）。

對于一整個閃存頁，或者一條字線上的所有存儲單元，它們各自的門檻電壓并不完全相同。我們把這些門檻電壓統計一下：看看每個電壓值附近有多少個存儲單元，然后畫成一張圖。橫坐標是電壓高低，縱坐標是對應的單元個數，這樣就會形成一座座“山峰”。這張圖就叫閾值電壓分布圖。

以 MLC 閃存為例，每個單元可以存 2 個比特，所以會有 4 種狀態。畫出來的圖就像四座分開的山峰，分別叫 S0、S1、S2、S3。只要門檻電壓落在某一座山的范圍內，這個單元就被認為處于那個狀態。

二、怎么畫出這樣一張分布圖？

想象讀取一個閃存頁的過程：我們要讀的那個頁，在它的控制極上加一個參考電壓 V_READ；而其他不讀的頁，會加一個很高的通過電壓 V_PASS，確保它們無條件導通，不影響我們要測的單元。

要畫出分布圖，我們可以這樣做：先把 V_READ 設得非常小，然后一點點往上調。每次調高一點，就記錄下新導通了多少個存儲單元（也就是從“截止”變為“導通”的單元數）。電壓從低到高掃一遍，我們就能得到一連串增量數據。把這些增量作為縱坐標，V_READ 作為橫坐標畫出來，就得到了我們想要的閾值電壓分布圖。

圖上的幾個關鍵電壓

看著這張分布圖，有幾個重要電壓需要了解：

●    默認讀參考電壓（V_R1, V_R2, V_R3）

它們位于相鄰兩座“山峰”之間的山谷處，用來判斷某個單元到底屬于左邊還是右邊的狀態。比如讀 MLC 的低位頁時，只需加一個 V_R2；讀高位頁時，則需要先后加 V_R1 和 V_R3 來判斷。

●    編程驗證電壓（V_PV1, V_PV2, V_PV3）

在寫數據時，我們是一邊充電一邊檢查的。比如想把一個單元從擦除態 S0 編程到 S1，充一會兒電后，就在控制極加 V_PV1 電壓。如果此時單元還導通，說明門檻電壓還沒超過 V_PV1，需要繼續充電；如果不導通了，說明已經到達 S1 狀態，后續編程就會把它保護起來，不再繼續充。

●通過電壓（V_PASS）

這個電壓加在那些不需要讀取的單元上，它的值比所有編程狀態的門檻電壓都高。這樣無論那些單元原本存的是什么數據，加上 V_PASS 后都一定會導通，相當于把它們“旁路”掉，不影響我們讀取目標單元。

三、分布偏移會導致讀錯數據

理想情況下，各個狀態的山峰和讀參考電壓之間應該有明顯的間隔，不能交疊。一旦交疊，用默認的參考電壓去讀就會出錯。

比如狀態 S2 的山峰如果整體向左偏移，它的左半部分就可能跨過 V_R2。這時，原本屬于 S2 的一些單元會被誤判成左邊的 S1 狀態，數據就讀錯了。

為了保證可靠性，每種狀態的山峰與相鄰參考電壓之間都有一段安全距離。參考電壓左邊預留的距離，能容忍該狀態門檻電壓意外升高；右邊的距離，能容忍門檻電壓意外降低。這些距離越寬，芯片容錯能力越強，數據越不容易出錯。

然而，隨著每個單元存儲的位數越來越多（從 SLC 到 MLC、TLC、QLC），狀態數量成倍增加，山峰就越擠，安全距離越來越窄。哪怕狀態只發生一點點偏移，都容易和參考電壓交疊，所以閃存的可靠性會明顯下降。

四、閾值電壓分布圖有什么用？

主要有兩大用處：

1、把抽象問題變直觀

單純說“從 SLC 到 QLC 可靠性越來越差”，你可能沒什么感覺。但如果把它們的閾值電壓分布圖擺出來，你會親眼看到：狀態數從 2 個變成 16 個，山峰密密麻麻擠在一起，間距越來越小。這時候你就很容易理解，為什么位密度越高越容易出錯了。

2、診斷數據出錯的原因

實際遇到閃存頁數據讀錯時，我們把這個頁的分布圖畫出來，就能看出端倪：

●    如果整體山峰向左移，說明是電子流失導致數據變弱；

●    如果向右移，說明有電子意外注入；

●    如果各座山峰高度參差不齊，很可能是同一頁被重復編程了；

●    如果某些山峰（尤其是最右邊的那座）完全消失了，則很可能是發生了異常掉電。

于是，閾值電壓分布圖就成了分析和解決閃存問題的利器。同時，這也解釋了為什么對于工業、軍規乃至航天級應用，擁有自研主控和自研固件的能力至關重要。

閾值電壓的偏移，根源在于閃存顆粒的物理磨損、電子泄露以及環境溫度變化。當一顆通用SSD還依賴固定的讀參考電壓去“刻舟求劍”時，天碩全鏈路國產化的工業級寬溫SSD，則能利用自研主控的強大算力和自研固件的深度定制算法，通過持續監測閾值電壓分布圖的細微變化，動態調整讀參考電壓的位置。

這種“因材施教”的精準糾偏能力，能夠在嚴苛的溫度和振動環境下，始終讓讀參考電壓精準地落在偏移后的“山谷”中，從而確保工業設備的長效穩定、軍規裝備的絕對可靠，以及航天任務的萬無一失。

關于天碩（TOPSSD）

湖南天碩創新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是國家認定的高新技術企業，長期專注于高可靠、高性能存儲技術的自主創新。公司立足國家戰略需求，面向航空、航天、國防和高端工業等關鍵領域，提供完全自主可控的核心存儲解決方案，切實保障國家關鍵信息基礎設施的數據安全與運行穩定，為實現高水平科技自立自強提供堅實支撐。

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