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固态存储技术最新研究成果探析

时间:2019-07-23 15:17作者:曼切
本文导读:这是一篇关于固态存储技术最新研究成果探析的文章,科技的进步使生活中充满着大量的数据和信息, 具有高速大容量的数据存储器都有着广泛的应用。传统机械硬盘具有非易失性, 存储容量高和成本低, 一直在计算机系统中占主要地位。

  摘    要: 几十年来, 机械硬盘由于存储容量高, 成本低, 非易失性等特点, 一直是计算机系统中占主导地位的数据存储设备。然而, 机械硬盘的存储系统由于内部结构, 其IO访问性能无法进一步提高, CPU与存储器之间的性能差距逐渐扩大。为了提高存储系统的运行速度, 以NANDFlash为存储介质的固态硬盘技术得到了飞速发展, 性能瓶颈得到缓解。针对目前状况, 对固态存储技术进行了简要介绍。

  关键词: 传输速度; NAND Flash; 固态硬盘; 存储介质;

  科技的进步使生活中充满着大量的数据和信息, 具有高速大容量的数据存储器都有着广泛的应用。传统机械硬盘具有非易失性, 存储容量高和成本低, 一直在计算机系统中占主要地位[1]。由于传统硬盘在功耗和体积方面很难有技术突破, 与CPU之间的处理速度差距越来越大, 固态硬盘 (Solid Stata Drive, SSD) 逐步走入了人们的视野。SSD无机械部件, 内部是半导体芯片。在SSD中, 数据信号完全通过电路传输, 读写速度快, 逐步成为市场主流。

  一、SSD系统架构

  典型的SSD主要包括控制器和存储介质, 有些还有缓存单元。SSD硬件包括主控制器、闪存芯片、缓存芯片、接口等。从软件来看, SSD内部的固件负责数据从接口到介质的读写, 还有一些可靠性管理调度算法[2]。

  二、SSD控制器

  SSD控制器是固态硬盘的主要控制芯片, 负责指挥、运算和协调SSD设备, FTL (Flash Translation Layer) 算法的运行[3]。主控CPU和普通的嵌入式设备相似, 缓存控制器负责控制DRAM和buffer等。Flash控制器负责把上位机指令转化为NAND可以识别的指令, 并完成ECC (Error Correction Code) 纠错和控制闪存的读写, CPU要能够在并行处理时负载均衡。

  三、存储介质

  闪存具有非易失性, 闪存芯片主要为NOR型和NAND型。NOR型主要应用于程序存储, NAND型应用于数据存储, 因此, 固态硬盘存储介质为NAND型。闪存的基本存储单元是一种双层浮栅MOS管, 被捕获电子的数量就像一个静电屏蔽, 最终会改变晶体管的阈值电压。通过仔细调节电子的数量, 可以产生多个阈值电压并将其转换成数字域。根据存储位数, 目前, NAND可以分为:SLC、MLC、TLC、QLC。

固态存储技术最新研究成果探析

  四、FTL

  FTL算法是SSD固件的核心部分, 直接决定了SSD的可靠性、耐用性等, 主机逻辑地址到闪存物理地址空间的翻译由其完成。FTL还要完成地址映射、磨损均衡、垃圾回收、坏块管理等。

  (一) 地址映射

  地址映射是逻辑地址和物理地址之间的映射关系, 使得对主机来说访问SSD和访问HDD时候一样, 根据映射粒度不同, 分为块映射, 页映射和混合映射。块映射以物理块为映射单元, 页映射以物理页为映射单元, 混合映射的映射单元为块页结合;随机读写性能页映射最好, 其次是混合映射, 块映射最差;页映射的映射表最大, 其次是混合映射, 块映射的映射表最小。

  (二) 磨损均衡

  闪存具有写前擦除的特性, 每个块的擦除次数是有限的, 当次数达到限定值, 数据的可靠性会急剧下降。因此, 磨损均衡机制的使用可以使各个块均衡读写, 避免某些块因为频繁擦除而过早变为坏块。闪存数据有冷热之分, 频繁更新的数据称为热数据, 不经常更新的数据称为冷数据。损耗均衡算法大致分为静态损耗均衡和动态损耗均衡[4]。动态磨损均衡是把热数据写到擦除次数较小的块上, 静态均衡是把冷数据写到擦写次数较多的块上。

  (三) 垃圾回收

  当闪存的空闲空间减小到一定阈值时, FTL负责擦除闪存中无用的数据块, 即垃圾回收。垃圾回收策略由三部分构成, 垃圾回收机制的触发条件、回收块的选择和垃圾回收处理方式, 需要固件在写用户数据时记录和维护每个用户闪存块的有效数据量。

  (四) 坏块管理

  坏块的产生主要有出厂坏块, 从工厂出来时自带的坏块;增长坏块, 由于使用过程中的擦写损耗使一些好块变成了坏块。闪存厂商在闪存出厂时, 会对坏块进行标记。管理坏块一般有两种策略, 略过策略和替换策略。略过策略为用户根据坏块表, 在写闪存时, 遇到坏块就越过, 写下一个块。替换策略为当某个Die上发现坏块时, 写到替换块上, 这时需要把整个Die分为两个部分, 用户空间和预留空间, 预留空间用于替换用户空间的坏块。

  五、ECC纠错

  由于擦写磨损、读取干扰、编程干扰等原因造成闪存比特翻转, 当擦除次数增加时, 内存中的氧化物层会逐渐被破坏, 使得捕获电子越来越难, 交叉概率增大。因此闪存需要纠错码方案, 即ECC技术[5]。纠错码从最初的汉明码逐渐到广泛应用的BCH码。随着Flash技术向高3D堆叠和QLC技术的发展, 低密度奇偶校验码 (Low-Density Parity-check Code, LDPC) 引起了广泛的关注, 因为它更接近香农极限。

  六、结束语

  目前固态存储技术正保持稳步进步, 其存储密度日益增大。固态硬盘虽然有很多优点, 但是, 它也有读写不对称, 内部并行性未能有效利用等缺点。现有的研究工作从某些方面对固态硬盘进行了优化, 但仍有许多未能考虑到或需要继续完善的地方, 所以对于固态硬盘仍需进行深入的研究。

  参考文献

  [1]王发宽.基于NAND闪存的混合固态硬盘设计研究[D].杭州:杭州电子科技大学, 2017.
  [2]SSD Fans.深入浅出SSD[M].机械工业出版社, 2018.
  [3]李想.基于软件架构的固态硬盘FTL设计[D].武汉:华中科技大学, 2015.
  [4]赵鹏, 白石.基于随机游走的大容量固态硬盘磨损均衡算法[J].计算机学报, 2012, 35 (5) :972-978.
  [5]周懿, 戴紫彬.面向Nand Flash自适应纠错码方案研究与设计[J].计算机工程与设计, 2017, 38 (6) :1681-1685.

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