NAND固態(tài)盤有限編程-擦除次數(shù)的評測模型及優(yōu)化方法.pdf

1、基于NAND Flash的固態(tài)盤（NAND固態(tài)盤）是一種以閃存芯片NAND Flash為存儲介質(zhì)的新型電子盤。NAND固態(tài)盤的有限編程/擦除次數(shù)取決于其內(nèi)部存儲介質(zhì)NAND Flash的有限編程/擦除次數(shù)（Program/Erase Cycles，P/Es）。NAND Flash的有限編程/擦除次數(shù)及限制性操作（如順序編程、異地更新和寫前擦除）導(dǎo)致其壽命和存儲可靠性受限。隨著芯片制程降低，NAND Flash有限編程/擦除次數(shù)也在減少，

2、從而降低了NAND Flash耐久性和NAND固態(tài)盤的壽命。所以，建立準(zhǔn)確而全面評測NAND固態(tài)盤有限編程/擦除次數(shù)損耗的模型，并提出優(yōu)化NAND固態(tài)盤有限編程/擦除次數(shù)的新方法，具有重要的理論價值和實踐價值。
　　從NAND Flash的編程角度，提出高精度NAND固態(tài)盤寫放大研究模型。寫放大用來評測多余編程操作對NAND固態(tài)盤有限編程/擦除次數(shù)的損耗。針對當(dāng)前寫放大模型存在可信性的問題，本文提出一種高精度NAND固態(tài)盤寫放大模

3、型和測量方法（即RB-Explorer）。該模型基于單個NAND Flash芯片上Ready/Busy（R/B）引腳信號和NAND固態(tài)盤四層并行性（即通道間、芯片間、晶圓間和分組間）。RB-Explorer探測單個有效R/B引腳信號的低電平時間長度來獲得與其關(guān)聯(lián)的晶圓內(nèi)頁編程次數(shù)，由頁編程次數(shù)與頁大小的乘積得到寫入該晶圓內(nèi)的編程數(shù)據(jù)量；根據(jù)NAND固態(tài)盤四層并行性，由固態(tài)盤通道個數(shù)、芯片個數(shù)與晶圓內(nèi)編程數(shù)據(jù)量的乘積得到寫入NAND Fl

4、ash空間的數(shù)據(jù)總量。固態(tài)盤寫放大是寫入NAND Flash空間的數(shù)據(jù)量與負(fù)載寫數(shù)據(jù)量的比值，前者在用戶級可得，后者通過RB-Explorer可得。本文引入真實NAND固態(tài)盤和當(dāng)前學(xué)界認(rèn)可的一種NAND固態(tài)盤仿真器SSDsim，在相同負(fù)載下，對比固態(tài)盤寫放大的真實值、基于RB-Explorer的寫放大測量值以及基于仿真器的寫放大測量值，結(jié)果表明大多數(shù)負(fù)載下，RB-Explorer比固態(tài)盤仿真器較準(zhǔn)確。典型應(yīng)用下，RB-Explorer對

5、固態(tài)盤寫放大研究驗證RB-Explorer亦具有較高適用性。
　　從NAND Flash的編程、擦除和讀操作角度，提出以性能和能耗為參數(shù)的NAND固態(tài)盤行為放大模型。寫放大已不能全面評測NAND Flash耐久性和NAND固態(tài)盤壽命，可靠性研究表明擦除和讀操作均影響NAND固態(tài)盤的編程/擦除次數(shù)?；诖?，提出一種NAND固態(tài)盤行為放大模型（即Bamp），該模型表示單位用戶寫數(shù)據(jù)量的能耗下NAND Flash內(nèi)編程、多余編程、多余擦

6、除和多余讀等操作的總能耗。NAND固態(tài)盤行為放大較全面地評測復(fù)雜負(fù)載下，多余操作對NAND Flash耐久性和固態(tài)盤壽命的影響。NAND固態(tài)盤行為放大越大，單位用戶寫數(shù)據(jù)下固態(tài)盤內(nèi)部的開銷越大，對NAND Flash持久性和固態(tài)盤壽命影響越大。根據(jù)黑盒研究方法，通過性能和能耗來量化NAND固態(tài)盤行為放大模型，根據(jù)固態(tài)盤性能，得到用戶寫數(shù)據(jù)量的大??；根據(jù)固態(tài)盤能耗，得到單位用戶寫數(shù)據(jù)量的能耗、負(fù)載下固態(tài)盤內(nèi)編程能耗以及所有額外操作能耗。此

7、外，從當(dāng)前文件系統(tǒng)和I/O調(diào)度策略中分析出保證固態(tài)盤性能和能耗綜合最優(yōu)的組合，以此減少對NAND固態(tài)盤行為放大模型準(zhǔn)確性的影響。實驗結(jié)果表明，利用性能和能耗量化行為放大具有可信性；與寫放大相比，NAND固態(tài)盤行為放大能較全面的評測復(fù)雜負(fù)載下多余操作（即編程、擦除和讀操作）對NAND固態(tài)盤有限編程/擦除次數(shù)的影響。
　　從NAND固態(tài)盤日志空間管理角度，提出一種新的高效日志空間管理策略，以降低復(fù)雜負(fù)載下固態(tài)盤寫放大和擦除次數(shù)。復(fù)雜負(fù)

8、載下，NAND Flash固有的限制性操作會增大固態(tài)盤寫放大并增加擦除次數(shù)，從而損耗NAND固態(tài)盤有限編程/擦除次數(shù)，進而縮短固態(tài)盤的壽命。結(jié)合定性和定量的研究方法，分析傳統(tǒng)日志空間管理策略存在的問題，提出一種新的高效分布式日志空間管理策略（即DLSpace）。分布式日志空間管理策略將NAND固態(tài)盤內(nèi)的日志空間分為塊日志空間和頁日志空間，前者由數(shù)據(jù)塊內(nèi)部分頁組成，其主要負(fù)責(zé)緩存本數(shù)據(jù)塊內(nèi)更新的數(shù)據(jù)，后者與傳統(tǒng)日志空間管理策略中的日志塊一

9、致。使用日志塊時，從日志空間取出日志塊，并配置數(shù)據(jù)頁空間區(qū)域和日志頁空間區(qū)域。分布式日志空間中的頁日志空間在一定程度上延遲了更新操作對日志塊的使用，在數(shù)據(jù)更新操作時，首選數(shù)據(jù)塊內(nèi)的日志頁，這樣一方面增加數(shù)據(jù)塊內(nèi)的無效頁，另一方面延遲對日志塊的使用。無效頁越多，垃圾回收過程中有效頁拷貝重寫次數(shù)越少，從而寫放大越小并且擦除次數(shù)越少；垃圾回收延時越長，塊包含無效頁的概率越大，有效頁拷貝重寫次數(shù)亦越小，同樣會降低寫放大并減少塊擦除次數(shù)，這優(yōu)化了