增强固态硬盘容错能力的技术研究

发布时间：2017-07-01 00:15

  本文关键词：增强固态硬盘容错能力的技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：固态存储技术是通过闪存(Flash)阵列来高速存取数据的一种存储技术。固态硬盘容量越来越大是建立在单颗芯片容量不断增大的基础上的,然而Flash芯片在容量增加的同时可靠性却不断下降。因此当前固态硬盘面临的可靠性问题成为制约固态硬盘商业化的重要障碍,针对固态硬盘可靠性问题的研究对于促进固态存储技术的发展具有重要意义。本文从固态存储介质的比特可靠性和固态硬盘整体可靠性两个方面展开了研究。当前主流的固态硬盘都是以NAND Flash作为存储介质,NAND Flash具有容量大、读写速度快的特点。随着单芯片集成度的提高,NAND Flash的误码率越来越高,这就需要纠错能力越来越强的纠错编码来保证存储数据的可靠性。而低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check,LDPC)是一种纠错能力较强的纠错编码方式,本文根据MLC Flash的误码率特性,提出了一种适用于MLC的LDPC码校验节点的构造方式。针对MLC存储单元中高有效位(Most Significant Bit,MSB)和低有效位(Least Significant Bit,LSB)误码率不同的特点,从降低LDPC码的译码错误概率出发,提出了一种LDPC码校验节点中MSB和LSB的合理搭配方式。仿真实验表明LDPC码校验节点中MSB和LSB的比例越不均衡,LDPC码的译码错误概率越小。在构造LDPC码时使用这种方法构造的校验节点,能够有效降低LDPC码的译码错误概率。固态硬盘中不仅会出现比特翻转现象,还会可能出现Flash页、块、芯片甚至控制器失效的情况。为了应对页、块可能失效的情况,固态硬盘引入了纠删码的概念,通过一定程度的数据冗余,提高数据的可靠性。本文提出了基于RAID-5技术的改进型的固态硬盘数据冗余机制,通过在固态硬盘通道之间建立数据的冗余关系确保固态硬盘在出现通道级以下错误时仍然能够正常读取数据。通过把冗余关系建立在物理地址上和采取局部延时更新机制将冗余关系映射表和地址映射进行了合并,减少了RAM资源的占用。通过对读数据的操作顺序进行优化,降低了冗余机制对固态硬盘性能的影响,减少了读操作的响应时间。在Matlab上对不同校验类型节点的LDPC码的译码错误概率进行了仿真实验,实验表明本文提出的校验节点构造方式在各种原始误码率的情况下都有最小的译码错误概率。在SSDsim上对通道数据冗余机制进行了仿真实验,实验表明本文提出冗余方法能够实现数据恢复功能且使用寿命增加了13.6%,读写操作的平均响应时间增加了9%。
【关键词】：固态硬盘 可靠性 LDPC码 纠删码 数据冗余
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333.35
【目录】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 NAND Flash纠错需求现状13-14
• 1.2.2 ECC技术研究现状14-16
• 1.2.3 纠删码技术研究现状16-17
• 1.3 本课题研究内容17-19
• 第二章 LDPC码基础理论19-33
• 2.1 LDPC码与BCH码的对比19-24
• 2.1.1 纠错能力比较19-21
• 2.1.2 解码速度比较21-23
• 2.1.3 硬件实现复杂程度比较23-24
• 2.2 LDPC码编码理论24-31
• 2.2.1 LDPC码的定义24-26
• 2.2.2 LDPC码的编码方法26-28
• 2.2.3 LDPC码的译码方法28-30
• 2.2.4 LDPC码译码错误概率分析30-31
• 2.3 用于Flash的LDPC码的研究热点31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 适用于MLC的LDPC码的校验节点构造方法研究33-48
• 3.1 NAND Flash的错误模型33-37
• 3.1.1 MLC的错误模型33-36
• 3.1.2 两种针对错误模型的纠错算法36-37
• 3.1.3 错误模型对LDPC编码的影响37
• 3.2 LDPC码校验节点类型对译码错误概率的影响37-41
• 3.3 仿真实验41-45
• 3.3.1 译码错误概率仿真41-43
• 3.3.2 校验节点构造方法研究43-45
• 3.4 校验节点构成方式对计算复杂度的影响45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 一种改进的固态硬盘数据冗余机制48-64
• 4.1 数据冗余的两种类型48-49
• 4.1.1 Erase Codes48
• 4.1.2 通道间数据冗余48-49
• 4.2 基于通道的数据冗余49-57
• 4.2.1 基于物理地址的冗余数据构造49-52
• 4.2.2 数据更新及冗余更新52-54
• 4.2.3 地址映射机制与垃圾回收机制54-55
• 4.2.4 数据重构方法55-56
• 4.2.5 读操作优化方法56-57
• 4.3 性能评估57-63
• 4.3.1 实验环境57-58
• 4.3.2 功能验证58
• 4.3.3 使用寿命分析58-59
• 4.3.4 读写性能评估59-63
• 4.4 本章小结63-64
• 结束语64-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 作者在学期间取得的学术成果71

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