高性能固态盘的多级并行性及算法研究

发布时间：2018-03-11 18:46

本文选题：闪存　切入点：固态盘　出处：《华中科技大学》2012年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：基于闪存的固态盘(Flash-based Solid State Disk:SSD)是近些年出现的一种新型存储设备。传统硬盘是由机械部件组成,而固态盘是由闪存芯片以一定结构组成的。相对于传统硬盘,固态盘在性能、能耗、可靠性、尺寸等方面有着明显的优势。现在,固态盘已逐渐成为便携计算机系统、桌面计算机系统、大型服务器系统、高性能计算系统的重要存储设备。但是闪存具有一些独特的读写特性,如：先擦后写、擦写次数有限、单个闪存卷片的读写性能有限,因此,对于固态盘组成、软件结构方面的设计应该是有针对性的,根据这些特性和外部负载的特点而进行特别“定制”。固态盘中有多个通道,每个通道由大量闪存芯片组成,闪存芯片具有多层结构,包括芯片-晶圆-分组。因此,固态盘有四个层次的并行结构：通道间并行—芯片间并行—晶圆间并行—分组间并行。有效利用这四个层次的并行是提高固态盘整体读写性能的关键。在固态盘中,闪存操作类型和分配方式影响着四层并行性的利用,如：多分组操作高级命令是利用分组间并行；交错操作高级命令是利用晶圆间并行；分配方式则是利用芯片间并行和通道间并行。但高级命令的使用有—定的限制条件,分配方式也具有多种不同的类型。所以,针对高级命令和分配方式与四层并行性之间的关系问题；针对四层并行性之间的优先级关系的问题,本文通过研究高级命令和分配方式的使用方法,来寻找四层并行之间的最佳优先级。实验数据显示,四层并行之间的最佳优先级是：通道间并行优于晶圆间并行；晶圆间并行优于分组间并行；分组间并行优于芯片间并行。固态盘中存在一个闪存转换层(Flash Translation Layer:FTL),用于翻译上层文件系统的读写命令、管理闪存的各种操作。FTL的优劣直接影响固态盘的性能、寿命、能耗的好坏。但是,现有的FTL通常无法兼顾这三个方面的要求。为了达到兼顾性能、寿命、能耗的目标,本文提出了两种不同的FTL算法,即三层页级映射算法、隐藏翻译过程映射算法。三层页级映射算法是利用固态盘的硬件结构,将一个分组分成多个部分,从分配的角度将整个固态盘从逻辑上看成三层结构：通道一块组一页。在这个算法中,当一组逻辑页被分配到一个块组时,这些逻辑页可以分配到块组中任意一个物理页。三层页级映射减少了映射表容量,却提供了类似于纯粹页级映射的性能,是一个高性能、低成本的映射方式。隐藏翻译过程映射算法是通过在传统固态盘结构中引入一个非易失存储器件(相变存储器),用以存放所有的页级映射关系,将读写映射关系数据的路径与读写用户数据的路径进行分离,达到了与页级映射相同的性能,减少了存放映射关系的内存容量,降低了内存的能耗,从而直接降低了固态盘的能耗。固态盘中内存具有两个主要用途：存放映射关系数据、存放缓存数据。本文提出了自适应的动态缓存管理算法。自适应的动态缓存管理算法包括两个模块：动态内存分区、动态闽值调整。动态内存分区算法是根据当前负载的特点,寻找到映射关系区域大小和数据缓存区域大小的最佳比例,动态调整内存的分区；动态阈值调整算法是根据近期写请求的密度,调整提前写回的缓存数据最的阈值,利用负载的请求间歇期、固态盘的内部空闲资源,根据阈值提前写回部分缓存数据,提前释放数据缓存空间。实验表明,相比传统缓存管理算法,自适应的动态缓存管理算法可以明显提高固态盘的读写性能、使用寿命。固态盘模拟器是进行固态盘研究的重要手段。固态盘模拟器SSDsim是基于“模块化、高准确性、可配置”这一目标而设计实现的,为研究者提供了测试固态盘的时间、寿命、能耗的模拟平台。它分成三个主要部分：硬件行为层、数据缓存层、闪存转换层。为了验证SSDsim的模拟结果的准确性,本文将它的测试结果与固态盘原型系统的测试结果进行比较,结果显示SSDsim的模拟绍i果和固态盘原型系统的真实结果基本一致。由此,可以看到SSDsim是一个高准确性的固态盘模拟工具。目前SSDsim已经开源。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP333

【参考文献】