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            固態存儲技術最新研究成果探析

            時間:2019-07-23 15:17作者:曼切
            本文導讀:這是一篇關于固態存儲技術最新研究成果探析的文章,科技的進步使生活中充滿著大量的數據和信息, 具有高速大容量的數據存儲器都有著廣泛的應用。傳統機械硬盤具有非易失性, 存儲容量高和成本低, 一直在計算機系統中占主要地位。

              摘    要: 幾十年來, 機械硬盤由于存儲容量高, 成本低, 非易失性等特點, 一直是計算機系統中占主導地位的數據存儲設備。然而, 機械硬盤的存儲系統由于內部結構, 其IO訪問性能無法進一步提高, CPU與存儲器之間的性能差距逐漸擴大。為了提高存儲系統的運行速度, 以NANDFlash為存儲介質的固態硬盤技術得到了飛速發展, 性能瓶頸得到緩解。針對目前狀況, 對固態存儲技術進行了簡要介紹。

              關鍵詞: 傳輸速度; NAND Flash; 固態硬盤; 存儲介質;

              科技的進步使生活中充滿著大量的數據和信息, 具有高速大容量的數據存儲器都有著廣泛的應用。傳統機械硬盤具有非易失性, 存儲容量高和成本低, 一直在計算機系統中占主要地位[1]。由于傳統硬盤在功耗和體積方面很難有技術突破, 與CPU之間的處理速度差距越來越大, 固態硬盤 (Solid Stata Drive, SSD) 逐步走入了人們的視野。SSD無機械部件, 內部是半導體芯片。在SSD中, 數據信號完全通過電路傳輸, 讀寫速度快, 逐步成為市場主流。

              一、SSD系統架構

              典型的SSD主要包括控制器和存儲介質, 有些還有緩存單元。SSD硬件包括主控制器、閃存芯片、緩存芯片、接口等。從軟件來看, SSD內部的固件負責數據從接口到介質的讀寫, 還有一些可靠性管理調度算法[2]。

              二、SSD控制器

              SSD控制器是固態硬盤的主要控制芯片, 負責指揮、運算和協調SSD設備, FTL (Flash Translation Layer) 算法的運行[3]。主控CPU和普通的嵌入式設備相似, 緩存控制器負責控制DRAM和buffer等。Flash控制器負責把上位機指令轉化為NAND可以識別的指令, 并完成ECC (Error Correction Code) 糾錯和控制閃存的讀寫, CPU要能夠在并行處理時負載均衡。

              三、存儲介質

              閃存具有非易失性, 閃存芯片主要為NOR型和NAND型。NOR型主要應用于程序存儲, NAND型應用于數據存儲, 因此, 固態硬盤存儲介質為NAND型。閃存的基本存儲單元是一種雙層浮柵MOS管, 被捕獲電子的數量就像一個靜電屏蔽, 最終會改變晶體管的閾值電壓。通過仔細調節電子的數量, 可以產生多個閾值電壓并將其轉換成數字域。根據存儲位數, 目前, NAND可以分為:SLC、MLC、TLC、QLC。

            固態存儲技術最新研究成果探析

              四、FTL

              FTL算法是SSD固件的核心部分, 直接決定了SSD的可靠性、耐用性等, 主機邏輯地址到閃存物理地址空間的翻譯由其完成。FTL還要完成地址映射、磨損均衡、垃圾回收、壞塊管理等。

              (一) 地址映射

              地址映射是邏輯地址和物理地址之間的映射關系, 使得對主機來說訪問SSD和訪問HDD時候一樣, 根據映射粒度不同, 分為塊映射, 頁映射和混合映射。塊映射以物理塊為映射單元, 頁映射以物理頁為映射單元, 混合映射的映射單元為塊頁結合;隨機讀寫性能頁映射最好, 其次是混合映射, 塊映射最差;頁映射的映射表最大, 其次是混合映射, 塊映射的映射表最小。

              (二) 磨損均衡

              閃存具有寫前擦除的特性, 每個塊的擦除次數是有限的, 當次數達到限定值, 數據的可靠性會急劇下降。因此, 磨損均衡機制的使用可以使各個塊均衡讀寫, 避免某些塊因為頻繁擦除而過早變為壞塊。閃存數據有冷熱之分, 頻繁更新的數據稱為熱數據, 不經常更新的數據稱為冷數據。損耗均衡算法大致分為靜態損耗均衡和動態損耗均衡[4]。動態磨損均衡是把熱數據寫到擦除次數較小的塊上, 靜態均衡是把冷數據寫到擦寫次數較多的塊上。

              (三) 垃圾回收

              當閃存的空閑空間減小到一定閾值時, FTL負責擦除閃存中無用的數據塊, 即垃圾回收。垃圾回收策略由三部分構成, 垃圾回收機制的觸發條件、回收塊的選擇和垃圾回收處理方式, 需要固件在寫用戶數據時記錄和維護每個用戶閃存塊的有效數據量。

              (四) 壞塊管理

              壞塊的產生主要有出廠壞塊, 從工廠出來時自帶的壞塊;增長壞塊, 由于使用過程中的擦寫損耗使一些好塊變成了壞塊。閃存廠商在閃存出廠時, 會對壞塊進行標記。管理壞塊一般有兩種策略, 略過策略和替換策略。略過策略為用戶根據壞塊表, 在寫閃存時, 遇到壞塊就越過, 寫下一個塊。替換策略為當某個Die上發現壞塊時, 寫到替換塊上, 這時需要把整個Die分為兩個部分, 用戶空間和預留空間, 預留空間用于替換用戶空間的壞塊。

              五、ECC糾錯

              由于擦寫磨損、讀取干擾、編程干擾等原因造成閃存比特翻轉, 當擦除次數增加時, 內存中的氧化物層會逐漸被破壞, 使得捕獲電子越來越難, 交叉概率增大。因此閃存需要糾錯碼方案, 即ECC技術[5]。糾錯碼從最初的漢明碼逐漸到廣泛應用的BCH碼。隨著Flash技術向高3D堆疊和QLC技術的發展, 低密度奇偶校驗碼 (Low-Density Parity-check Code, LDPC) 引起了廣泛的關注, 因為它更接近香農極限。

              六、結束語

              目前固態存儲技術正保持穩步進步, 其存儲密度日益增大。固態硬盤雖然有很多優點, 但是, 它也有讀寫不對稱, 內部并行性未能有效利用等缺點,F有的研究工作從某些方面對固態硬盤進行了優化, 但仍有許多未能考慮到或需要繼續完善的地方, 所以對于固態硬盤仍需進行深入的研究。

              參考文獻

              [1]王發寬.基于NAND閃存的混合固態硬盤設計研究[D].杭州:杭州電子科技大學, 2017.
              [2]SSD Fans.深入淺出SSD[M].機械工業出版社, 2018.
              [3]李想.基于軟件架構的固態硬盤FTL設計[D].武漢:華中科技大學, 2015.
              [4]趙鵬, 白石.基于隨機游走的大容量固態硬盤磨損均衡算法[J].計算機學報, 2012, 35 (5) :972-978.
              [5]周懿, 戴紫彬.面向Nand Flash自適應糾錯碼方案研究與設計[J].計算機工程與設計, 2017, 38 (6) :1681-1685.

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