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NAND固态盘有限编程/擦除次数的评测模型及优化方法

孙辉  
【摘要】:基于NAND Flash的固态盘(NAND固态盘)是一种以闪存芯片NAND Flash为存储介质的新型电子盘。NAND固态盘的有限编程/擦除次数取决于其内部存储介质NAND Flash的有限编程/擦除次数('rogram/Erase Cycles, P/Es)。NAND Flash的有限编程/擦除次数及限制性操作(如顺序编程、异地更新和写前擦除)导致其寿命和存储可靠性受限。随着芯片制程降低,NAND Flash有限编程/擦除次数也在减少,从而降低了NAND Flash耐久性和rNAND固态盘的寿命。所以,建立准确而全面评测NAND固态盘有限编程/擦除次数损耗的模型,并提出优化NAND固态盘有限编程/擦除次数的新方法,具有重要的理论价值和实践价值。 (?)NAND Flash的编程角度,提出高精度NAND固态盘写放大研究模型。写放大用来评测多余编程操作NAND固态盘有限编程/擦除次数的损耗。针对当前写放大模型存在可信性的问题,本文提出一种高精度NAND固态盘写放大模型和测量方法(即PRB-Explorer)。该模型基于单个NAND Flash芯片上Ready/Busy (R/B)引脚信号和NAND固态盘四层并行性(即通道间、芯片间、晶圆间和分组间)。RB-Explorer探测单个有效R/B引脚信号的低电平时间长度来获得与其关联的晶圆内页编程次数,由页编程次数与页大小的乘积得到写入该晶圆内的编程数据量;根据NAND固态盘四层并行性,由固态盘通道个数、芯片个数与晶圆内编程数据量的乘积得到写入NAND Flash空间的数据总量。固态盘写放大是写入NAND Flash空间的数据量与负载写数据量的比值,前者在用户级可得,后者通过:RB-Explorer可得。本文引入真实NAND固态盘和当前学界认可的一种NAND固态盘仿真器SSDsim,在相同负载下,对比固态盘写放大的真实值、基于RB-Explorer的写放大测量值以及基于仿真器的写放大测量值,结果表明大多数负载下,RB-Explorer比固态盘仿真器较准确。典型应用下,RB-Explorer:对固态盘写放大研究验证RB-Explorer亦具有较高适用性。 (?)NAND Flash的编程、擦除和读操作角度,提出以性能和能耗为参数的NAND固态盘行为放大模型。写放大已不能全面评钡NAND Flash耐久性和NAND固态盘寿命,可靠性研究表明擦除和读操作均影响NAND固态盘的编程/擦除次数。基于此,提出一种NAND固态盘行为放大模型(且Bamp),该模型表示单位用户写数据量的能耗下NAND Flash内编程、多余编程、多余擦除和多余读等操作的总能耗。NAND固态盘行为放大较全面地评测复杂负载下,多余操作对NAND Flash耐久性和固态盘寿命的影响。NAND固态盘行为放大越大,单位用户写数据下固态盘内部的开销越大,对NAND Flash持久性和固态盘寿命影响越大。根据黑盒研究方法,通过性能和能耗来量化NAND固态盘行为放大模型,根据固态盘性能,得到用户写数据量的大小;根据固态盘能耗,得到单位用户写数据量的能耗、负载下固态盘内编程能耗以及所有额外操作能耗。此外,从当前文件系统和Ⅰ/O调度策略中分析出保证固态盘性能和能耗综合最优的组合,以此减少对NAND固态盘行为放大模型准确性的影响。实验结果表明,利用性能和能耗量化行为放大具有可信性;与写放大相比,NAND固态盘行为放大能较全面的评测复杂负载下多余操作(即编程、擦除和读操作)对NAND固态盘有限编程/擦除次数的影响。 从NAND固态盘日志空间管理角度,提出一种新的高效日志空间管理策略,以降低复杂负载下固态盘写放大和擦除次数。复杂负载下,NAND Flash固有的限制性操作会增大固态盘写放大并增加擦除次数,从而损耗NAND固态盘有限编程/擦除次数,进而缩短固态盘的寿命。结合定性和定量的研究方法,分析传统日志空间管理策略存在的问题,提出一种新的高效分布式日志空间管理策略(即DLSpace)。分布式日志空间管理策略将NAND固态盘内的日志空间分为块日志空间和页日志空间,前者由数据块内部分页组成,其主要负责缓存本数据块内更新的数据,后者与传统日志空间管理策略中的日志块一致。使用日志块时,从日志空间取出日志块,并配置数据页空间区域和日志页空间区域。分布式日志空间中的页日志空间在一定程度上延迟了更新操作对日志块的使用,在数据更新操作时,首选数据块内的日志页,这样一方面增加数据块内的无效页,另一方面延迟对日志块的使用。无效页越多,垃圾回收过程中有效页拷贝重写次数越少,从而写放大越小并且擦除次数越少;垃圾回收延时越长,块包含无效页的概率越大,有效页拷贝重写次数亦越小,同样会降低写放大并减少块擦除次数,这优化了NAND固态盘有限编程/擦除次数。实验结果表明,与传统日志空间管理策略相比,基于分布式日志空间管理策略的NAND固态盘具有较低的写放大、较长的垃圾回收操作的延迟时间以及较少的块擦除次数等优势,优NAND固态盘有限编程/擦除次数,并且相同日志空间下,页日志空间越大,优势就越明显。


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