混合固态硬盘的磨损均衡算法研究

发布时间：2020-04-22 00:51

【摘要】：鉴于NAND Flash闪存的可擦除次数有限,不均衡的擦除会降低闪存的可靠性,因此,为了延长闪存的使用寿命,设计一个自适应均衡擦除次数的磨损均衡算法至关重要。混合固态硬盘通常由SLC(Single-Level Cell)和MLC(Multi-Level Cell)闪存构成,SLC和MLC闪存之间的冷热数据分配、闪存间的磨损均衡以及闪存内部的磨损均衡是混合固态硬盘闪存转换层设计的关键问题,针对这些问题,本文主要做了以下工作:1)基于SLC和MLC闪存各自的特点,本文设计了一种阈值随当前读写请求大小动态变化的分离器。SLC适合处理小而热的数据,MLC适合处理大而冷的数据,由于热数据会经常的被读写,如果热数据尽可能的部署在SLC闪存,数据整体的响应时间会大大减少。实验表明本文的动态阈值算法能很好地识别冷热数据。2)针对混合固态中SLC内部磨损度不均衡和闪存利用率低的问题,设计了一种利用基于物理页循环队列的方法来管理SLC闪存。本文通过控制循环队列的长度对SLC中的热数据进行管理,从而提高SLC闪存的利用率。通常而言,SLC闪存耐受性比MLC高10倍到20倍的寿命,混合固态硬盘中SLC和MLC闪存之间极易出现磨损度不同步问题,针对这个问题本文设计了一种流量控制器,通过两者的磨损均衡度和数据的实时热度,来对冷热数据进行选择性的重新分配,能有效平衡两者的磨损度和减少闪存间数据的迁移次数。实验结果表明上述方法可以有效提高SLC内部的磨损均衡度、闪存的利用率以及SLC和MLC闪存之间的磨损均衡度。3)鉴于MLC内部磨损均衡的问题,本文提出了基于逻辑页的热度与物理块的热度相结合的静态磨损算法和动态磨损均衡算法。对数据的热度进行了重新定义,算法除了考虑物理页的因素外,还考虑到逻辑页的本身热度以及逻辑页的更新时间间隔。对于冷热物理块的识别,考虑到了闪存介质的物理特性,来解决物理块擦除不均问题(有些块几乎不被擦除,而有些块反复擦除)。实验结果表明该算法能大大的提高MLC闪存内部磨损均衡度,提高闪存的使用寿命。
【图文】：

结构图,磁盘地址,处理器,缓冲管理

图２．邋１邋ＳＳＤ结构图逡逑上图２．邋１是ＳＳＤ的一个逻辑结构图，多路转发器（Ｆｌａｓｈ邋Ｄｅｍｕｘ／Ｍｕｘ）主要功逡逑能是发出指令，处理器不仅需要管理请求流，还要提供逻辑的磁盘地址到物理闪逡逑存地址的转换。处理器，缓冲管理器和多路转发器通常是用独立的器件组成，比逡逑

闪存,物理结构,漏极,电流

２．１．２邋ＮＡＮＤ闪存的物理结构逡逑闪存存储系统中的闪存介质是由闪存阵列构建［３２＿３＇闪存阵列的基本存储单逡逑元是一种类ＮＭＯＳ的双层浮空栅（Ｆｌｏａｔｉｎｇ邋Ｇａｔｅ）邋ＭＯＳ管组成，如下图２．２所示：逡逑Ｏ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ邋Ｇａｔｅ逡逑十＋邋－｝—邋￣ｈＨ￣￣ｈＨ￣￣ｈ逡逑—＾ＰｌｏｉＳｈｇ＾Ｓａｔｅ——逡逑干干干干＿）＿邋＿十丨、＾＾逡逑￣＾逦Ｐ－ｗｅｌｌ（ＯＶ）逦＾逡逑Ｎ－ｗｅｌｌ（ＯＶ）逡逑Ｐ＝ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（ＯＶ）逡逑图２．邋２闪存的物理结构图逡逑存电子的浮动栅（Ｆｌｏａｔｉｎｇ邋Ｇａｔｅ）是在源极（Ｓｏｕｒｃｅ）和漏极（Ｄｒａｉｎ）之间电流逡逑单向传导的半导体上形成，浮动栅被一层厚厚的硅氧化膜绝缘体包裹着，浮动珊逡逑是在漏极和源极之间控制传导电流的选择／控制栅（Ｃｏｎｔｒｏｌ邋Ｇａｔｅ）上面。逡逑写操作是在控制极加正电压，使电子通过绝缘层进入浮栅极。擦除操作正好逡逑相反，是在衬底加正电压，，把电子从浮栅极中吸出来。如下图２．３和图２．４所示：逡逑Ｖｐｐ（Ｐｒｏｇｒａｍ）逦Ｅｒａｓｅｄ邋Ｓｔａｔｅ邋——二——逡逑Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ邋Ｓｔａｔｅ邋丫逦逦逡逑＼逦＇逦：逦ｐ￣—＾逦／，，逡逑逦邋￣￣邋＂ＺＺ．邋ｉ逡逑个个个ｔ个一逦ｎ逡逑ｎ逦ｎ逡逑Ｐ－ｗｅｌｌ逡逑Ｐ－ｗｃｌｌ逡逑＇ｊ逡逑乃如逦Ｖｐｐ（Ｅｒａｓｅ）逡逑图２．邋２闪存的编程状态逦图２．邋３闪存的擦除状态逡逑９逡逑
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333

【参考文献】