CN101430923B - 固态半导体储存装置及其应用系统与控制组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度控制功能的固态半导体储存装置及其应用系统与控制组件，其中固态半导体储存装置，包括一非易失性存储器单元、一温度感测组件及一控制单元。温度感测组件用于感测该固态半导体储存装置的操作温度，以提供温度感测信号给控制单元，而控制单元根据温度感测信号值判断固态半导体储存装置的操作温度，并执行对应程序，进而达到温度控制的目的。

Description

固态半导体储存装置及其应用系统与控制组件

技术领域

本发明涉及一种非易失性存储器的固态半导体储存装置，特别是涉及一种具有温度控制功能的固态半导体储存装置及其控制方法。

背景技术

随着固态半导体储存装置日渐普及，产生许多利用固态非易失性存储器记录储存数字信息的应用，例如USB随身碟、存储卡以及固态磁盘驱动器(Solid-State Disk drive，SSD)等。其中又以容量最大的固态磁盘驱动器最适于可携式计算机(如笔记本计算机、超级移动计算机(Ultra-mobile PC，UMPC)等)，借以取代硬盘机并提供低耗电、高储存速度、高可靠度等特性。为了提供更高的储存容量及存取速度，固态半导体储存装置内部需设置数个非易失性存储器，并能同时进行数据读取、记录或擦除操作，借以减少完成操作所需时间，达到提高存取速度的目的。

请参考图1，为公知固态磁盘驱动器功能方块图，固态磁盘驱动器1包括电源管理单元11、非易失性存储器单元12及控制单元13。电源管理单元11自应用系统(图中未示)接受其供应的电源，转为固态磁盘驱动器内部其它单元适用的电源形式。控制单元13系统接口131连接应用系统以接收指令，并控制非易失性存储器单元12进行数据输入、数据输出、存储页写入、存储区块擦除以及其它必要操作。控制单元13中利用系统接口131连接应用系统，存储器接口132连接非易失性存储器单元12，由微处理器133执行应用系统指令、控制数据传输及非易失性存储器单元12等流程、与数据传输缓冲区134暂存传输数据等功能。而非易失性存储器单元12则由至少一个或以上的非易失性存储器所组成，其接受控制单元13下达的控制指令，记录及提供应用系统传输储存的数字信息。

另如美国专利公告第US6725321号“Memory system”、美国专利公告第US6718406号“Memory array apparatus with reduced data accessing timeand method for the same”及美国专利公开第20050010717号“Access anddata management method using double parallel tracks for flash memorycells”等专利，也提供有关固态磁盘驱动器的系统架构与方法。但是，由于固态磁盘驱动器内有多项电子组件同时动作，使固态磁盘驱动器在可携式计算机产生多余的热能，在散热不易的可携式计算机中，容易导致温度上升，进而在高温下产生操作不稳定的现象。

而公知针对温度变化导致装置操作不稳定的问题，  如图2所示，为公知具温控装置的存储系统功能方块图，存储器系统300包括一控制器310及一存储器装置320，而控制器310通过总线330来读写存储器装置320。控制器310中包括一追踪电路316及一控制电路315，而追踪电路316用于在一特定周期中监控存储器装置320的运作，其中存储器装置320的运作包括被读写的次数或更新的次数等；而控制电路315根据追踪电路316监测存储器装置320运作所提供的数据与存储器装置320先前运作的经验数据来判断在特定时间周期中存储器装置320所产生的操作温度，进而若控制电路315判断出存储器装置3320的操作温度超过容许范围，便利用于读写的操作间加入延迟时间，或是将存储器装置320切换于低功率模式等方式来调节存储器装置320，以降低存储器装置320的操作温度。

但是，上述的相关技术适用于易失性随机存取存储器，其散发热量仅与存储器控制器存取存储器的读写速度相关时才能使用。而固态磁盘驱动器内部所采用的储存媒体为非易失性存储器(例如NAND型Flash存储器)，做为大容量长时间保存数据使用，其存取操作方式与特性与前述技术所适用的易失性存储器有多项差异。以目前固态磁盘驱动器主要采用的NADA型Flash存储器为例，其与易失性随机存取存储器差异包括：

1.NADA型Flash存储器的数据无法随机存取，其需通过指令码与指定的流程以较大单位的存储页或存储区块进行存取操作；

2.NADA型Flash存储器除如易失性随机存取存储器一般的数据输出/输入作业外，另需进行存储页写入或存储区块抹除操作才能完成记录数据的操作；

3.在功率消耗方面，由于NADA型Flash存储器执行存储页写入或存储区块擦除操作需要较长的时间，所以执行该操作所消耗的功率比单纯进行数据的输出/输入更高，散发的热量也较高。

由上述三点差异可知，NADA型Flash存储器与易失性随机存取存储器分别具有不同的特性，所以前述针对存储器温度控制的相关技术，也不能适用于固态磁盘驱动器或其它固态半导体储存装置。一般固态半导体储存装置因为温度所造成操作不稳定的问题，至今仍缺少较佳的解决方案来改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有温度控制功能的固态半导体储存装置及其应用系统与控制组件，避免固态半导体储存装置于高温下产生操作不稳定的现象，以达到持续稳定操作的目的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种具有温度控制功能的固态半导体储存装置，其包括一非易失性存储器单元、一温度感测组件及一控制单元。其中非易失性存储器单元用于储存数字信息。温度感测组件用于感测该固态半导体储存装置的操作温度，以提供一温度感测信号。控制单元利用一系统接口与一应用系统电性连接，以接收该应用系统所下达的指令；利用一存储器接口与该非易失性存储器单元电性连接；利用一温度感测接口与该温度感测组件电性连接，以接收该温度感测信号。而控制单元还包含一微处理器，其电性连接该系统接口、该存储器接口及该温度感测接口，该微处理器根据该温度感测信号判断该固态碟机的操作温度，并执行对应程序调整该固态碟机的操作模式。

为了实现上述目的，本发明还提供一种固态半导体储存装置的温度控制方法，其步骤首先在一控制单元中根据不同操作温度预设一温度临界值；然后通过一温度感测组件检测该固态半导体储存装置的操作温度并发出一温度感测信号回传该控制单元；接着该控制单元比较该温度感测信号值与该温度临界值，并根据比较结果，控制该固态半导体储存装置的动作状态。

所以本发明利用温度临界值与固态半导体储存装置的操作温度感测信号值的比较，可让控制单元进入不同的操作模式，而不同的操作模式其控制单元有对应的指令执行速度及对非易失性存储器单元的存取速度，借此达到温度控制的功效。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为公知固态磁盘驱动器功能方块图；

图2为公知具温控装置的存储系统功能方块图；

图3为本发明具温度控制功能的固态半导体储存装置功能方块图；

图4为本发明较佳实施例的固态半导体储存装置随操作温度感测信号值切换操作模式的状况设定表；

图5为本发明较佳实施例的固态半导体储存装置温度感测信号值及操作模式随时间与不同假设情境的变化示意图；

图6为本发明具有温度控制功能的固态半导体储存装置的另一较佳实施例的功能方块图；及

图7为本发明固态半导体储存装置的温度控制方法流程图；及

图8为本发明较佳实施例的固态半导体储存装置的温度控制方法流程图。

其中，附图标记：

固态磁盘驱动器1

电源管理单元11

非易失性存储器单元12

控制单元13

系统接口131

存储器接口132

微处理器133

数据传输缓冲区134

存储器系统300

控制器310

控制电路315

追踪电路316

存储器装置320

总线330

固态半导体储存装置4，7

电源管理单元41

非易失性存储器单元42

控制单元43

系统接口431

存储器接口432

微处理器433

数据传输缓冲区434

温度感测接口435

温度感测组件44

应用系统45

应用程序451

温度控制组件71

第一温度临界值T1

第二温度临界值T2

第三温度临界值T3

第一操作模式M1

第二操作模式M2

第三操作模式M3

第四操作模式M4

具体实施方式

请参考图3，为本发明具温度控制功能的固态半导体储存装置功能方块图。如图所示，具温度控制功能的固态半导体储存装置4包括电源管理单元41、非易失性存储器单元42、控制单元43、及温度感测组件44。电源管理单元41接受从主机板或应用系统45(如：计算机、个人数字移动装置或各种数字多媒体装置)供应的电源，转为固态半导体储存装置4内部各单元适用的电源形式。控制单元43经系统接口431连接应用系统45以接收指令，并对非易失性存储器单元42进行数据输入、数据输出、存储页写入、存储区块抹除以及其它必要操作。控制单元43中利用系统接口431连接应用系统45，通过存储器接口432连接非易失性存储器单元42。控制单元43进一步还包含一微处理器433，该微处理器433负责执行应用系统45所传来的指令、控制数据传输及对非易失性存储器单元12的数据存取，与控制数据传输缓冲区434的暂存传输数据功能。而非易失性存储器单元42则由至少一个以上的非易失性存储器所组成，其接受控制单元43下达的控制指令，用于记录或提供应用系统45所需的数字信息，以及储存控制单元43部分的控制用相关信息。

温度感测组件44用于感测固态半导体储存装置4的操作温度，并通过控制单元43上所设置的温度感测接口435提供温度感测信号给微处理器433。微处理器433根据温度感测组件44所提供的温度感测信号判断固态半导体储存装置4的操作温度，并于该操作温度感测信号值达到一预设的温度临界值以上时改变动作模式，调整控制单元43响应应用系统45下达指令的执行速度，以及控制单元43存取非易失性存储器单元42的方法。其中，温度感测组件44可为一热电偶温度感应器。

由上所述，固态半导体储存装置4可进一步将温度临界值预设于控制单元43、非易失性存储器单元42或温度感测组件44内，而温度感测组件44可进一步结合一比较电路对温度感测信号与预设温度临界值进行比较并将比较结果传输至控制单元43；另外，温度临界值除了可固定预设于上述单元或组件中外，也可通过应用系统45进行设定或调整；固态半导体储存装置4也可进一步就其操作特性，预先设定多个温度临界值与对应的操作模式，并且在操作温度感测信号值达到不同温度临界值的情况下，让该装置进入不同的操作模式以为因应。接着以预先设定三个温度临界值、四种对应的操作模式为例做说明。

请参考图4，为本发明较佳实施例的固态半导体储存装置随不同操作温度感测结果切换操作模式的状况设定表，及图5，为本发明较佳实施例的固态半导体储存装置温度感测信号值及操作模式随时间与不同假设情境的变化示意图。

当固态半导体储存装置4的操作温度感测信号值低于第一温度临界值T1时，固态半导体储存装置4进入第一操作模式M1，也就是正常操作模式，此时控制单元43以全速执行应用系统45下达的指令，并以全速存取非易失性存储器单元42。在第一操作模式M1时，固态半导体储存装置4提供最佳的存取效能，但消耗的功率及产生的热量也最高。

当固态半导体储存装置4的感测组件44所发出的操作温度感测信号值高于第一温度临界值T1时，则该储存装置进入第二操作模式M2，也就是低度降温模式，如图5的S1所示。此时，控制单元43进入减速运作，也就是执行应用系统45下达指令的速度较低，但仍以全速存取非易失性存储器单元42。在第二操作模式M2时，固态半导体储存装置4的存取效能及消耗的功率皆低于操作在第一操作模式M1，以在不至大幅影响数据存取效能的情况下，达到低度降温的效果。若应用系统45并未对固态半导体储存装置4连续进行大量数据存取的操作，则一般而言，其内部操作温度将逐渐下降返回低于第一温度临界值T1所对应的温度，控制单元43随即将操作模式切回第一操作模式，以提供最佳的数据存取效能，如图5的S1至S2所示。

接着若应用系统45持续对固态半导体储存装置4连续进行大量数据存取操作，或装置固态半导体储存装置4的周遭环境温度较高，或散热条件不佳时，即使进入第二操作模式M2减低运作产生的热量仍可能无法达到降低温度的目的。此时，温度持续的上升，如图5的S3至S4所示。当内部操作温度感测信号值超过第二温度临界值T2时，固态半导体储存装置4即进入第三操作模式M3，也就是高度降温模式，更进一步降低控制单元43的执行速度，并同时减低存取非易失性存储器单元42的存取速度，以达在严苛的环境下，持续稳定操作的目的，如图5的S4所示。

而上述的减低存取非易失性存储器单元42的存取速度，可包括减低数据输出或输入的传输率、减少平行或交错执行存储页写入操作、减少平行或交错执行存储区块擦除操作、减少执行存储页写入操作、减少执行存储区块擦除操作、加大执行存储页写入操作的时间间隔、加大执行存储区块擦除操作的时间间隔等操作方式。

若装置固态半导体储存装置4的环境，可能因周遭环境有其它热源且散热不良的缘故，可能导致即使于第三操作模式M3高度降温后，其内部操作温度能持续上升的情况。如图5的S4至S5所示，即使固态半导体储存装置4进入第三操作模式M3，仍仅能减缓温度上升的趋势，尚未能完全遏止操作温度上升的现象。此时，操作温度即持续上升直到超过固态半导体储存装置4能维持稳定运作的容许值，同时操作温度感测信号值达到第三温度临界值T3，如图5的S5所示。操作温度既已超出固态半导体储存装置4能维持稳定运作的上限，控制单元43即进入第四操作模式M4，以响应过热错误的状态。此时，对于应用系统45下达的指令，控制单元43均响应错误信息，并停止存取非易失性存储器单元42，直到内部操作温度返回至低于第三温度临界值T3所对应的温度，控制单元43重新返回第三操作模式M3为止，如图5的S6所示。

由上述的说明可知，本发明具有温度控制功能的固态半导体储存装置根据固态半导体储存装置的操作温度感测结果来改变控制单元43的执行速度及对非易失性存储器元442的存取速度，以有效降低散发的热量，进而达到持续稳定操作的目的。

请参考图6，为本发明具有温度控制的固态半导体储存装置的另一较佳实施例的功能方块图。如图所示，在固态半导体储存装置7中除设置温度感测组件44外，再增设一温度控制组件71，当温度感测组件44感测内部温度超过一默认值所对应的温度时，控制单元43除改变执行速度及对非易失性存储器元442的存取速度外，还可启动该温度控制组件71以提高散热效率并加快温度降低的速度。其中，温度控制组件71可为电力驱动的风扇或固态冷却装置。

另外，本发明还可于固态半导体储存装置7所连接的应用系统45上执行一应用程序451来监控储存装置7的内部操作温度，当内部操作温度感测信号值超过一默认值时，由控制单元43经系统接口431传输一信号回馈至应用程序451，再由应用程序451产生一信息通知应用系统45的使用者或启动系统中的另一温度控制组件。

接着请参考图7，为本发明固态半导体储存装置的温度控制方法流程图。首先于固态半导体储存装置中预先设定至少一温度临界值(如图步骤S801)，然后利用温度感测组件感测固态半导体储存装置的操作温度，接着由控制单元比较固态半导体储存装置的操作温度感测信号值与预设的温度临界值(如图步骤S803)。若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值超过温度临界值，则固态半导体储存装置的控制单元降低执行速度及其对非易失性存储器单元的存取速度(如图步骤S805)。而其中，控制单元的执行速度及对非易失性存储器单元的存取速度的控制方式可包括，控制单元减低执行应用系统所下达的指令的速度及控制单元全速存取非易失性存储器单元、控制单元以低速执行应用系统所下达的指令并减低存取非易失性存储器单元的速度、或控制单元对应用系统所下达的指令响应错误信息及控制单元停止存取非易失性存储器单元。

承上述，若于固态半导体储存装置的操作温度感测信号值超过温度临界值时，可进一步启动固态半导体储存装置中的温度控制组件(如图步骤S807)。并可于固态半导体储存装置所连接的应用系统上执行一应用程序，以接收固态半导体储存装置操作温度感测状态的信息，并通知应用系统的使用者或启动系统的应对处理程序。

接下来请参考图8，为本发明较佳实施例的固态半导体储存装置的温度控制方法流程图。首先于固态半导体储存装置的控制单元中设定一第一温度临界值、一第二温度临界值、及一第三温度临界值，借此将该控制单元的操作模式区分为第一操作模式、第二操作模式、第三操作模式及第四操作模式。而其中第一操作模式为控制单元全速执行应用系统所下达的指令及全速存取非易失性存储器单元，第二操作模式为控制单元减低执行应用系统所下达的指令的速度及全速存取非易失性存储器单元，第三操作模式为控制单元以低速执行应用系统所下达的指令及减低存取非易失性存储器单元的速度、而第四操作模式为控制单元对应用系统所下达的指令均响应错误信息及停止存取非易失性存储器单元。

在固态半导体储存装置启动后，便利用一温度感测组件检测该储存装置的操作温度，然后该装置内的控制单元比较该储存装置的操作温度感测信号值是否超过第一温度临界值(如图步骤S905)，若未超过第一温度临界值，则控制单元进入第一操作模式(如图步骤S907)并持续进行检测与比较的动作。

而若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值超过第一温度临界值，则控制单元进入第二操作模式(如图步骤S909)，然后持续检测及比较固态半导体储存装置的操作温度感测信号值是否低于第一温度临界值(如图步骤S911)。若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值低于第一温度临界值，则返回至步骤S907，而若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值未低于第一温度临界值，则比较固态半导体储存装置的操作温度感测信号值是否超过第二温度临界值(如图步骤S913)。

若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值未超过第二温度临界值，则返回步骤S909，而若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值超过第二温度临界值，则控制单元进入第三操作模式(如图步骤S915)。然后持续检测及比较固态半导体储存装置的操作温度感测信号值是否低于第二温度临界值(如图步骤S917)，若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值低于第二温度临界值，则返回步骤S909。而若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值未低于第二温度临界值，则比较固态半导体储存装置的操作温度感测信号值是否超过第三温度临界值(如图步骤S919)。若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值未超过第三温度临界值，则返回步骤S915。而若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值超过第三温度临界值，则控制单元进入第四操作模式(如图步骤S921)。接着持续检测及比较固态半导体储存装置的操作温度感测信号值是否低于第三温度临界值(如图步骤S923)，若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值未低于第三温度临界值，则返回步骤S921，若固态半导体储存装置的操作温度感测信号值低于第三温度临界值，则返回步骤S915。

综上所述，为避免固态半导体储存装置于高温下产生操作不稳定的现象，本发明提供了一有效的具温度控制功能的固态半导体储存装置及其控制方法，使固态半导体储存装置根据不同的操作温度调整适当的操作模式，以执行相关的温度控制机制来降低散发的热量，达到持续稳定操作的目的。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种固态半导体储存装置，供一应用系统进行一数据存取，其特征在于，该储存装置进一步包括：

一非易失性存储器单元，用于储存数字信息；

一温度感测组件，用于感测该固态半导体储存装置的操作温度，并产生一温度感测信号；及

一控制单元，分别电性连接于该温度感测组件与该非易失性存储器单元，并接收该温度感测组件所产生的该温度感测信号；

当该温度感测信号值高于预设的临界温度值且低于该固态半导体储存装置维持稳定运作的上限温度时，该控制单元降低执行该应用系统下达的指令的速度，或，该控制单元降低执行该应用系统下达的指令的速度并且降低对该非易失性存储器单元的访问速度；

当该温度感测信号值高于该固态半导体储存装置维持稳定运作的上限温度时，该控制单元对该应用系统下达的指令均响应错误信息，并停止存取该非易失性存储器单元；

其中，该控制单元降低执行该应用系统下达的指令的速度为该控制单元用较全速低的速度存取该非易失性存储器单元时，利用减低数据输出或输入的传输率、减少平行或交错执行存储页写入操作、减少平行或交错执行存储区块擦除操作、减少执行存储页写入操作、减少执行存储区块擦除操作、加大执行存储页写入操作的时间间隔、及加大执行存储区块擦除操作的时间间隔的至少其中一种方式来达成。

2.根据权利要求1所述的固态半导体储存装置，其特征在于，所述的固态半导体储存装置预设有多个该温度临界值，而该固态半导体储存装置所包括的该温度感测组件为一热电偶温度感应器，并且该固态半导体储存装置还包括一温度控制组件，电性连接于该控制单元，用以降低该储存装置的温度。

3.根据权利要求2所述的固态半导体储存装置，其特征在于，当该温度感测信号值大于一该临界温度值时，由该控制单元启动该温度控制组件。

4.根据权利要求1所述的固态半导体储存装置，其特征在于，所述的应用系统还包括一应用程序，用于接收该固态半导体储存装置发出的信号并产生一该储存装置的温度监控信息。

5.根据权利要求1所述的固态半导体储存装置，其特征在于，该控制单元包括：

一系统接口，用以与一应用系统电性连接，以接收该系统所下达的指令；

一存储器接口，用以与该非易失性存储器电性连接；

一温度感测接口，用以与一温度感测组件电性连接，以接收该温度感测组件所传输的温度感测信号；及

一微处理器，分别电性连接于该系统接口、该存储器接口及该温度感测接口；

其中该微处理器通过该存储器接口控制该非易失性存储器；

其中该微处理器通过该系统接口接收并执行该应用系统所下达的指令；

其中该微处理器通过该温度感测接口接收该温度感测信号。

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