大規(guī)模閃存固態(tài)存儲(chǔ)并行訪問控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和傳感器等技術(shù)的飛速發(fā)展，全球信息量呈指數(shù)級(jí)增長。信息社會(huì)的數(shù)字化進(jìn)程對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)模和數(shù)據(jù)服務(wù)能力的要求不斷提高，而傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)的能力明顯落后于計(jì)算能力的趨勢(shì)卻愈演愈烈。非易失固態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)磁盤通過機(jī)械部件進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的特性，帶來了存儲(chǔ)技術(shù)的革命性變化。閃存（Flash Memory）作為固態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)的一種，具有低延遲、低功耗、高并行度等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展最為迅速，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對(duì)基于閃存的大容量存儲(chǔ)

2、設(shè)備，從緩存管理、存儲(chǔ)管理、I/O隊(duì)列調(diào)度和操作并行化等方面對(duì)設(shè)備內(nèi)部多級(jí)并行硬件的訪問控制技術(shù)展開研究。本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.提出了一種具有通道感知和重排序機(jī)制的緩存管理策略（第二章）
　　目前，基于閃存的存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部通常包含一個(gè)數(shù)據(jù)緩存，從主機(jī)到來的數(shù)據(jù)首先被寫入緩存，然后才會(huì)被寫入底層的閃存存儲(chǔ)介質(zhì)。基于閃存的緩存管理必須適應(yīng)閃存介質(zhì)獨(dú)有的存儲(chǔ)特性，以及閃存設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的基于閃存的緩存管理策略普

3、遍缺乏對(duì)并行硬件結(jié)構(gòu)的支持，現(xiàn)有的兩種并行化緩存策略也缺乏考慮并行化后數(shù)據(jù)頁面的分布對(duì)內(nèi)部管理操作的影響。本研究針對(duì)以上問題，提出了一種新的具有通道感知和重排序機(jī)制（Channel-Aware Write Reordering，CAWR）的緩存結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的緩存替換策略，CAWR在緩存中使用一個(gè)重排序區(qū)域?qū)磳木彺嬷刑蕴捻撁孢M(jìn)行排序，同時(shí)使用多發(fā)射機(jī)制將多個(gè)無關(guān)的數(shù)據(jù)同時(shí)寫入多個(gè)并行部件。因此，CAWR策略適用于并行硬件體系結(jié)構(gòu)。此

4、外，由于重排序的過程能夠識(shí)別和維護(hù)寫的空間局部性，因此能夠減少垃圾回收的開銷。最后，由于CAWR只會(huì)改變被認(rèn)為是冷數(shù)據(jù)的頁面的淘汰順序，以此能夠維持相對(duì)較高的緩存命中率。本項(xiàng)工作的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在具有重排序區(qū)結(jié)構(gòu)的緩存設(shè)計(jì)。
　　2.提出了一種基于非均衡通道調(diào)度的多通道閃存轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)（第三章）
　　為了獲得更高的訪問帶寬和更大的存儲(chǔ)容量，當(dāng)前閃存存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部使用多條獨(dú)立的并行通道將多塊閃存芯片組織成閃存陣列。而為這一架構(gòu)所設(shè)計(jì)的

5、閃存轉(zhuǎn)換層除了隱藏底層物理介質(zhì)的存儲(chǔ)特性以外，還必須能夠維護(hù)通道間的負(fù)載均衡，同時(shí)提高閃存操作的并行性和通道的利用率。另外，閃存轉(zhuǎn)換層本身的存儲(chǔ)管理任務(wù)會(huì)產(chǎn)生額外的開銷，影響設(shè)備對(duì)主機(jī)I/O請(qǐng)求的響應(yīng)服務(wù)。為了避免存儲(chǔ)管理任務(wù)可能造成的對(duì)I/O請(qǐng)求服務(wù)的阻塞，本章提出了一種基于非均衡通道調(diào)度的多通道閃存轉(zhuǎn)換層（Multi-channel FTL with Unbalanced channel management, U-MFTL）設(shè)計(jì)。

6、U-MFTL采用分層的設(shè)計(jì)思想，通道級(jí)閃存轉(zhuǎn)換層在每個(gè)通道內(nèi)部管理存儲(chǔ)介質(zhì)空間，設(shè)備級(jí)閃存轉(zhuǎn)換層通過一個(gè)調(diào)度器在獨(dú)立通道之間進(jìn)行調(diào)度。本項(xiàng)工作的創(chuàng)新之處在于通過非均衡的通道調(diào)度策略，既避免將主機(jī)請(qǐng)求調(diào)度到正在忙于內(nèi)部任務(wù)的通道，同時(shí)也避免在多個(gè)通道上同時(shí)觸發(fā)多個(gè)內(nèi)部管理任務(wù)的執(zhí)行。
　　3.提出了一種利用微結(jié)構(gòu)級(jí)并行性的I/O命令隊(duì)列機(jī)制（第四章）
　　閃存芯片內(nèi)部的多個(gè)Die，以及Die內(nèi)部的多個(gè)Plane之間存在微操作級(jí)

7、的并行，閃存芯片制造商在芯片內(nèi)除了實(shí)現(xiàn)基本的Read、Program、Erase操作外，還提供幾種高級(jí)指令模式。高級(jí)指令利用芯片內(nèi)部的并行性來提高操作執(zhí)行的效率。但是，硬件并行指令的使用受到操作種類和操作地址的約束，因此增加了將基本指令打包成高級(jí)并行指令的命令調(diào)度工作的難度。另一方面，現(xiàn)有的研究成果中通常利用條帶化的地址分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)部微結(jié)構(gòu)級(jí)并行性的利用，但是由于FTL無法獲知硬件資源的使用情況，條帶化的靜態(tài)分配策略可能存在由硬

8、件資源競爭引起的硬件利用率低的問題，而現(xiàn)有的命令隊(duì)列機(jī)制無法解決這一問題。本研究以簡化調(diào)度算法和增加并行化為目標(biāo)，提出了一種能夠進(jìn)一步挖掘閃存芯片內(nèi)部Die級(jí)并行性的平鋪式命令隊(duì)列機(jī)制（Tiled Multi-line command Queue，TMQ），以及以隊(duì)列資源為依據(jù)的動(dòng)態(tài)地址分配機(jī)制。TMQ為每個(gè)芯片建立一條多行結(jié)構(gòu)的命令隊(duì)列，可以將不同地址上不同種類的操作分離開來，因此更易于并行硬件指令的封裝。而以命令隊(duì)列的資源剩余情況為

9、依據(jù)的地址分配策略能夠產(chǎn)生更多的可被并行化的操作，因此提高了硬件資源的利用率。
　　4.提出了一種并行化垃圾回收操作序列的方法（第五章）
　　由于閃存設(shè)備內(nèi)部包含多級(jí)硬件并行性，因此對(duì)閃存操作的并行化是提高設(shè)備性能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的研究成果通過把主機(jī)的訪問請(qǐng)求分割成子請(qǐng)求序列，同時(shí)將子請(qǐng)求分別調(diào)度到不同的并行硬件部件上實(shí)現(xiàn)I/O請(qǐng)求的并發(fā)。但是，已有的工作極少涉及對(duì)內(nèi)部垃圾回收過程所產(chǎn)生的那部分額外操作的并行化。一次垃圾回收過程

10、產(chǎn)生一串包括讀、寫和擦除在內(nèi)的操作序列，這串操作序列具有相當(dāng)可觀的執(zhí)行開銷。本研究針對(duì)垃圾回收的開銷，提出了一種新的切片式垃圾回收策略（Subdivided Garbage Collection，SGC）。SGC將一次垃圾回收過程的執(zhí)行范圍限制在單個(gè)芯片之內(nèi)，因此垃圾回收和對(duì)主機(jī)訪問請(qǐng)求的服務(wù)能夠在不同的芯片上并行進(jìn)行。同時(shí)，垃圾回收的操作序列被拆分成子操作串，操作串通過重新排序后進(jìn)入命令隊(duì)列，成為芯片并行硬件指令的一部分，從而實(shí)現(xiàn)了垃