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基于非均衡通道的NAND Flash混合存储技术研究

谢启友  
【摘要】:NAND Flash容量的增长和其性能及可靠性之间存在着矛盾。单颗NAND Flash的容量不断增大的同时,其基本单元——块和页的容量也在随之增大,但是文件系统访问SSD时的基本单位——扇区没有变。一个物理页包含的逻辑扇区数越来越多,并且页具有先擦再写的特性,写入的最小单位是一个页,擦除的最小单位是一个块,故重写入问题越来越严重,需要探索更有效的架构和管理算法来提高存储的性能。并且,随着容量的增大,NAND Flash制程进一步降低,致使NANDFlash存储单元总的擦写次数不断降低,需要更加充分利用有限的擦写次数来提高存储系统的可靠性。此外,数据量的骤增对SSD的容量提出了新的要求,现有NAND Flash存储组织架构已经不能适应容量增长的要求。 针对当前NAND Flash容量和性能之间,以及物理块/页大小与扇区大小之间存在的矛盾,设计了一种非均衡的NAND Flash存储组织架构,包括非均衡通道和混合NAND Flash。非均衡通道将几个物理通道合并形成超级通道,使NAND Flash的“物理存储单元”进一步增大,从而降低地址映射表的规模,减小RAM资源的消耗。混合NAND Flash通过将MLC和SLC混合使用,充分利用SLC的性能和可靠性优势以及MLC的价格和容量优势来提高系统容量,同时保证系统性能。基于提出的非均衡架构,还设计了基于块组的地址映射算法、通道数据滤波器以及请求队列的调度优化算法。 在DiskSim和SSD Model的基础上,设计了非均衡NAND Flash架构下的SSD性能和可靠性仿真平台。在指定的性能和可靠性评估条件下,映射表减小了25%到50%,RAM资源占用最小约为BAT的十分之一;随机数据读写性能方面,提出的非均衡组织架构以25%的SLC比例达到将近100%SLC系统的性能,顺序读写速度介于全SLC和全MLC之间,增幅不大;可靠性能相对全MLC系统大幅提升。


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