為什么說LDPC碼不適合工業存儲

工業領域都熟知LDPC碼，它是麻省理工學院Robert Gallager于1963年在博士論文中提出的一種具有稀疏校驗矩陣的分組糾錯碼。幾乎適用于所有的信道，因此成為編碼界近年來的研究熱點。它的性能逼近香農限，且描述和實現簡單，易于進行理論分析和研究，譯碼簡單且可實行并行操作，適合硬件實現。

LDPC碼被認為是當今 3D TLC 和 QLC 存儲器中提高錯誤率的解決方案。然而它們并不適合每個市場。

低密度奇偶校驗（LDPC）碼是一種糾錯碼，漸增性用于需要通過信道進行高效信息傳輸的應用，存在來自衛星或地球發射機的視頻廣播等破壞性噪聲。在過去十年中，LDPC 碼在閃存領域也越來越受到關注。廣泛用于 SLC 和 MLC 閃存技術的 BCH 代碼無法提供令人滿意的性能，因為當今的 3D TLC 和 3D QLC 閃存的備用區域有限，因而被其他具有使用軟解碼能力的代碼取代，例如 LDPC 碼。盡管這些代碼適用于某些應用，但它們卻有兩個主要缺點。

圖 1：目前可用的不同類型的閃存

每個單元存儲的位越多，數據保留越低，故障位的數量越多。雖然 SLC 和 MLC 主要采用平面閃存技術制造，但 TLC 和 QLC 采用 3D 技術制造。

LDPC 在某些領域的表現很好，但在其他領域只有平均水平

LDPC 碼對于具有高錯誤率的輸入數據表現出優異的性能。很少有其他代碼達到這種性能水平，因為它甚至接近理論最大值香農極限（Shannon limit）。另一方面，它們的性能對于輸入數據來說很普通，幾乎沒有錯誤。對于少數輸入錯誤，失敗的錯誤糾正非常頻繁 - 其他代碼在這方面達到明顯更好的結果。因此，LDPC 碼用于在低輸入錯誤率的情況下偶然錯誤是可接受的情況，但是需要高錯誤率的高性能，例如，地面數字視頻廣播標準 DVB-T。在這種情況下，失敗的校正將導致視頻流中幾個像素的錯誤顏色 - 這是可接受的。對于另一種情況 - 輸入數據中的大量錯誤 - 視頻流將盡可能長時間保持不間斷（例如黑屏）。

這種利弊關系解釋 NAND 閃存控制器中 LDPC 碼的出現。最新的 NAND 閃存技術顯示出非常高的錯誤率 - 尤其是針對消費者市場的錯誤率。 LDPC 碼接近滿足這些要求的理想條件。然而，還有其他市場偶爾的錯誤對于錯誤率低的輸入數據是不可接受的。工業市場就是其中之一。系統級可靠性的一個共同標準是 JEDEC 企業規范：它要求整個工作壽命的速率小于 10-16 幀錯誤。令人印象深刻的是，LDPC 碼的性能接近 NAND 閃存的使用壽命，但它在內存的生命周期內并沒有達到此要求，即閃存作為錯誤糾正輸入的變化誤碼率 - 在開始時低，在生命結束時高。

LDPC 性能只能估算

為了應對 JEDEC 的這種苛刻的規范，康斯坦茨應用科學大學和 Hyperstone 已經基于廣義級聯碼（GCC）開發了不同的糾錯碼。在高輸入錯誤率方面，它的性能不會超過 LDPC 代碼。但是，它確實顯示出低和中錯誤率明顯更好的性能。主要優點是可以計算性能，因此可以保證所有輸入錯誤率，而 LDPC 性能只能針對低和中錯誤率進行估算。有關這方面的詳細說明，請參閱我們可免費下載的可靠閃存存儲基礎白皮書“錯誤糾正代碼”。這意味著除了顯示低至中的輸入錯誤率的普通性能外，目前還不清楚 LDPC 將提供什么樣確切的水平性能。這一事實完全使其無法在工業和企業存儲市場中使用。

圖 2. Hyperstone 最新的 SSD 控制器可以滿足最高要求的應用可靠性

最高要求的糾錯功能

在 Hyperstone 最新閃存控制器中基于 GCC 的糾錯功能與稱為校準的機制密切配合。該機制確保閃存單元的讀出電壓始終處于最佳位置，從而在閃存整個生命周期內產生低至中等位的誤碼率。因此，糾錯單元輸入端的數據錯誤量保持在最佳輸入條件下 - GCC 糾錯明顯優于基于 LDPC 的糾錯條件。雖然校準結合 GCC 改善了系統級性能，但它不會提升基于 LDPC 的誤差校正，因為它將輸入誤差率從有利范圍移到對 LDPC 較不有利的范圍。

LDPC 碼是閃存控制器的糾錯中的普遍代碼。它們非常適合可接受偶發錯誤的消費性產品使用。在對可靠性要求很高的工業市場中，它們根本不適合。 GCC 與先進的校準相結合，能夠輕松滿足工業市場的苛刻要求。

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