3D闪存高效管理及读写优化方法研究
发布时间：2022-02-08 14:44
随着数据规模的爆炸式增长,大数据存储对更高性能、更大容量、更低价格的存储芯片的需求也随之增长。在过去的十年中,闪存以其性能好、抗震、轻便等优异特性已经逐步成为替代机械硬盘的存储器件。但是受限于存储单元尺寸的物理极限,闪存持续发展遭遇瓶颈。三维堆叠结构的闪存架构的出现为解决存储容量问题提供了可行的方案。然而,采用传统的闪存转换层（Flash Translation Layer,FTL）方法管理3D闪存空间会产生性能和可靠性的问题,包括闪存块内页数和闪存页容量增大导致存储空间利用率下降、数据传输时间浪费、垃圾回收开销进一步增大,影响闪存设备性能。3D闪存内部编程干扰相比2D闪存更加严重,导致使用过程中产生更多的比特错误,影响闪存设备可靠性。论文针对3D闪存管理中存在的问题,将FTL管理与闪存特性相结合来进行优化,构建高性能、高可靠的3D闪存设备。3D闪存页容量不断增大,而现有的FTL方案以闪存页和块为粒度进行映射,使得设备在处理小请求时引入更多冗余数据传输,严重影响闪存空间利用率和性能。提出了基于重复编程特性的多次闪存子页写入技术,降低固态盘响应时间,减少闪存擦除次数。其核心思想是将闪存页...
【文章来源】：华中科技大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
闪存页组织架构变化
论文研究内容组织结构如图1-4所示。主要研究内容包含在第二章、第三章和第四章。第二章针对闪存读写基本单位大小与文件系统块大小不匹配导致闪存页利用率低下,整体性能降低的问题,基于闪存编程机理开发利用闪存页的重复编程特性,提出一种针对大容量闪存页的性能优化技术,即基于重复编程特性的多次闪存子页写入技术。第三章针对单颗3D闪存芯片容量持续增大导致相同存储容量下可并行单元减少的问题,从闪存读写延迟不对称特性以及闪存通道内部多级并行性等研究方向提出一种最优化闪存通道带宽的技术,即基于闪存读写不对称特性的通道带宽优化技术。第四章针对3D MLC闪存带来的更严重的内部编程干扰问题,结合编程干扰特性以及写操作自身特点,提出一种针对3D MLC闪存的可靠性和性能的优化技术,即基于干扰补偿的读写优化管理技术。总体而言,本文围绕着3D闪存高效管理和调度的方向进行研究,核心章节包括第二章至第四章,主要研究内容如下:(1)基于重复编程特性的多次闪存子页写入技术。随着制造工艺的进步以及堆叠层数增长,NAND闪存页容量不断增长。虽然更大的闪存页可以降低每比特的成本,提高闪存的吞吐量,但由于其与文件系统块大小不匹配,可能会浪费存储空间和数据传输时间,在处理小请求时导致更频繁的垃圾回收。针对I/O请求大小与写入单元不匹配问题,为SLC型闪存设计了基于重复编程特性的多次子页写入技术(MGA-FTL)。通过将大容量闪存页划分为多个闪存子页,MGA-FTL支持更细粒度的闪存空间管理,并且利用闪存页重复编程,实现多次向同一个闪存页中的不同闪存子页写入数据。为了控制存储映射表的内存开销,引入两级映射来处理不同大小的请求,初始情况下只保持页级映射表,只有在处理小于闪存页大小的请求时才相应创建子页级映射表项。同时,为了平衡空间利用率和性能,分配策略将决定是否允许将不同的逻辑页面映射到同一个物理页面内。为MLC型闪存设计了基于双模操作的多次子页写入技术(MSPW-FTL)。由于MLC闪存单元状态转换受到了额外的限制而无法像SLC闪存那样重复编程。MSPW-FTL通过利用SLC/MLC双模式结合重复编程特性来解决这一问题,通过将MLC模式闪存块转换为SLC模式闪存块,小数据存储在SLC模式闪存块的闪存子页中。除了沿用两级映射表来控制内存用量外,MSPW-FTL提出了数据管理模块,用于处理子页粒度分配引起的数据碎片问题。MGA-FTL和MSPW-FTL技术在本文第二章进行介绍。
闪存单元都是靠存储层中存储的电荷数目不同从而体现出不同的阈值电压来进行逻辑区别的,在未储存电荷时,单元阈值电压最低,这个状态也称之为“擦除状态”,用来表示逻辑‘1’;随着储存电荷数目增加,单元阈值电压增高,电荷的注入被称为“编程”或者“写入”,用来表示逻辑‘0’。电荷注入的原理是FN隧道效应(Fowler–Nordheim Tunneling Mechanism),通过控制栅和衬底之间的高电势差,半导体衬底中的电子利用隧道效应穿过氧化层进入存储层中被保存下来。一个闪存页中的所有闪存单元共享同一根字线上的编程电压Vpp,而为了让闪存页中不同单元能分别写入逻辑‘1’和‘0’,需要禁止写入逻辑‘1’的单元发生隧道效应,编程操作就使用了写入禁止方法[40]。写入禁止方法通过控制单元对应的位线电压,使栅极与衬底间形成不同电势差,实现写入不同逻辑值。图2-1展示了SLC型闪存单元写入禁止时的电压偏置状态示意图。图中四条字线分别对应四个闪存页,每个闪存页包含两个比特。向闪存页1写入数据‘01’(单元A写入‘0’,单元B写入‘1’),驱动对应字线1至高编程电压(通常为9-20V);将闪存页中真实想写入数据的单元对应的位线驱动至VGN D,即接地电压;对闪存页中想要保持不变单元对应的位线施加电压Vcc,约为10V,降低通道氧化层两端的电势差,因此不发生隧道效应;其他字线则驱动至导通电压,约为6V。(2)SLC闪存重复编程的实现
【参考文献】：
期刊论文
[1]NTFS文件系统结构分析[J]. 王兰英,居锦武. 计算机工程与设计. 2006(03)
博士论文
[1]高性能固态盘的多级并行性及算法研究[D]. 胡洋.华中科技大学 2012
本文编号：3615252
【文章来源】：华中科技大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
闪存页组织架构变化
论文研究内容组织结构如图1-4所示。主要研究内容包含在第二章、第三章和第四章。第二章针对闪存读写基本单位大小与文件系统块大小不匹配导致闪存页利用率低下,整体性能降低的问题,基于闪存编程机理开发利用闪存页的重复编程特性,提出一种针对大容量闪存页的性能优化技术,即基于重复编程特性的多次闪存子页写入技术。第三章针对单颗3D闪存芯片容量持续增大导致相同存储容量下可并行单元减少的问题,从闪存读写延迟不对称特性以及闪存通道内部多级并行性等研究方向提出一种最优化闪存通道带宽的技术,即基于闪存读写不对称特性的通道带宽优化技术。第四章针对3D MLC闪存带来的更严重的内部编程干扰问题,结合编程干扰特性以及写操作自身特点,提出一种针对3D MLC闪存的可靠性和性能的优化技术,即基于干扰补偿的读写优化管理技术。总体而言,本文围绕着3D闪存高效管理和调度的方向进行研究,核心章节包括第二章至第四章,主要研究内容如下:(1)基于重复编程特性的多次闪存子页写入技术。随着制造工艺的进步以及堆叠层数增长,NAND闪存页容量不断增长。虽然更大的闪存页可以降低每比特的成本,提高闪存的吞吐量,但由于其与文件系统块大小不匹配,可能会浪费存储空间和数据传输时间,在处理小请求时导致更频繁的垃圾回收。针对I/O请求大小与写入单元不匹配问题,为SLC型闪存设计了基于重复编程特性的多次子页写入技术(MGA-FTL)。通过将大容量闪存页划分为多个闪存子页,MGA-FTL支持更细粒度的闪存空间管理,并且利用闪存页重复编程,实现多次向同一个闪存页中的不同闪存子页写入数据。为了控制存储映射表的内存开销,引入两级映射来处理不同大小的请求,初始情况下只保持页级映射表,只有在处理小于闪存页大小的请求时才相应创建子页级映射表项。同时,为了平衡空间利用率和性能,分配策略将决定是否允许将不同的逻辑页面映射到同一个物理页面内。为MLC型闪存设计了基于双模操作的多次子页写入技术(MSPW-FTL)。由于MLC闪存单元状态转换受到了额外的限制而无法像SLC闪存那样重复编程。MSPW-FTL通过利用SLC/MLC双模式结合重复编程特性来解决这一问题,通过将MLC模式闪存块转换为SLC模式闪存块,小数据存储在SLC模式闪存块的闪存子页中。除了沿用两级映射表来控制内存用量外,MSPW-FTL提出了数据管理模块,用于处理子页粒度分配引起的数据碎片问题。MGA-FTL和MSPW-FTL技术在本文第二章进行介绍。
闪存单元都是靠存储层中存储的电荷数目不同从而体现出不同的阈值电压来进行逻辑区别的,在未储存电荷时,单元阈值电压最低,这个状态也称之为“擦除状态”,用来表示逻辑‘1’;随着储存电荷数目增加,单元阈值电压增高,电荷的注入被称为“编程”或者“写入”,用来表示逻辑‘0’。电荷注入的原理是FN隧道效应(Fowler–Nordheim Tunneling Mechanism),通过控制栅和衬底之间的高电势差,半导体衬底中的电子利用隧道效应穿过氧化层进入存储层中被保存下来。一个闪存页中的所有闪存单元共享同一根字线上的编程电压Vpp,而为了让闪存页中不同单元能分别写入逻辑‘1’和‘0’,需要禁止写入逻辑‘1’的单元发生隧道效应,编程操作就使用了写入禁止方法[40]。写入禁止方法通过控制单元对应的位线电压,使栅极与衬底间形成不同电势差,实现写入不同逻辑值。图2-1展示了SLC型闪存单元写入禁止时的电压偏置状态示意图。图中四条字线分别对应四个闪存页,每个闪存页包含两个比特。向闪存页1写入数据‘01’(单元A写入‘0’,单元B写入‘1’),驱动对应字线1至高编程电压(通常为9-20V);将闪存页中真实想写入数据的单元对应的位线驱动至VGN D,即接地电压;对闪存页中想要保持不变单元对应的位线施加电压Vcc,约为10V,降低通道氧化层两端的电势差,因此不发生隧道效应;其他字线则驱动至导通电压,约为6V。(2)SLC闪存重复编程的实现
【参考文献】：
期刊论文
[1]NTFS文件系统结构分析[J]. 王兰英,居锦武. 计算机工程与设计. 2006(03)
博士论文
[1]高性能固态盘的多级并行性及算法研究[D]. 胡洋.华中科技大学 2012
本文编号：3615252
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