高性能固態(tài)盤的多級(jí)并行性及算法研究.pdf

1、基于閃存的固態(tài)盤(Flash-based Solid State Disk:SSD)是近些年出現(xiàn)的一種新型存儲(chǔ)設(shè)備。傳統(tǒng)硬盤是由機(jī)械部件組成,而固態(tài)盤是由閃存芯片以一定結(jié)構(gòu)組成的。相對(duì)于傳統(tǒng)硬盤,固態(tài)盤在性能、能耗、可靠性、尺寸等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在,固態(tài)盤已逐漸成為便攜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、大型服務(wù)器系統(tǒng)、高性能計(jì)算系統(tǒng)的重要存儲(chǔ)設(shè)備。但是閃存具有一些獨(dú)特的讀寫特性,如:先擦后寫、擦寫次數(shù)有限、單個(gè)閃存芯片的讀寫性能有限,因

2、此,對(duì)于固態(tài)盤組成、軟件結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)應(yīng)該是有針對(duì)性的,根據(jù)這些特性和外部負(fù)載的特點(diǎn)而進(jìn)行特別“定制”。
　　固態(tài)盤中有多個(gè)通道,每個(gè)通道由大量閃存芯片組成,閃存芯片具有多層結(jié)構(gòu),包括芯片-晶圓-分組。因此,固態(tài)盤有四個(gè)層次的并行結(jié)構(gòu):通道間并行—芯片間并行—晶圓間并行—分組間并行。有效利用這四個(gè)層次的并行是提高固態(tài)盤整體讀寫性能的關(guān)鍵。在固態(tài)盤中,閃存操作類型和分配方式影響著四層并行性的利用,如:多分組操作高級(jí)命令是利用分組間并

3、行;交錯(cuò)操作高級(jí)命令是利用晶圓間并行;分配方式則是利用芯片間并行和通道間并行。但高級(jí)命令的使用有一定的限制條件,分配方式也具有多種不同的類型。所以,針對(duì)高級(jí)命令和分配方式與四層并行性之間的關(guān)系問題;針對(duì)四層并行性之間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系的問題,本文通過研究高級(jí)命令和分配方式的使用方法,來尋找四層并行之間的最佳優(yōu)先級(jí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,四層并行之間的最佳優(yōu)先級(jí)是:通道間并行優(yōu)于晶圓間并行;晶圓間并行優(yōu)于分組間并行;分組間并行優(yōu)于芯片間并行。
　

4、　固態(tài)盤中存在一個(gè)閃存轉(zhuǎn)換層(Flash Translation Layer: FTL),用于翻譯上層文件系統(tǒng)的讀寫命令、管理閃存的各種操作。FTL的優(yōu)劣直接影響固態(tài)盤的性能、壽命、能耗的好壞。但是,現(xiàn)有的FTL通常無法兼顧這三個(gè)方面的要求。為了達(dá)到兼顧性能、壽命、能耗的目標(biāo),本文提出了兩種不同的FTL算法,即三層頁(yè)級(jí)映射算法、隱藏翻譯過程映射算法。三層頁(yè)級(jí)映射算法是利用固態(tài)盤的硬件結(jié)構(gòu),將一個(gè)分組分成多個(gè)部分,從分配的角度將整個(gè)固態(tài)盤

5、從邏輯上看成三層結(jié)構(gòu):通道—塊組—頁(yè)。在這個(gè)算法中,當(dāng)一組邏輯頁(yè)被分配到一個(gè)塊組時(shí),這些邏輯頁(yè)可以分配到塊組中任意一個(gè)物理頁(yè)。三層頁(yè)級(jí)映射減少了映射表容量,卻提供了類似于純粹頁(yè)級(jí)映射的性能,是一個(gè)高性能、低成本的映射方式。隱藏翻譯過程映射算法是通過在傳統(tǒng)固態(tài)盤結(jié)構(gòu)中引入一個(gè)非易失存儲(chǔ)器件(相變存儲(chǔ)器),用以存放所有的頁(yè)級(jí)映射關(guān)系,將讀寫映射關(guān)系數(shù)據(jù)的路徑與讀寫用戶數(shù)據(jù)的路徑進(jìn)行分離,達(dá)到了與頁(yè)級(jí)映射相同的性能,減少了存放映射關(guān)系的內(nèi)存容

6、量,降低了內(nèi)存的能耗,從而直接降低了固態(tài)盤的能耗。
　　固態(tài)盤中內(nèi)存具有兩個(gè)主要用途:存放映射關(guān)系數(shù)據(jù)、存放緩存數(shù)據(jù)。本文提出了自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)緩存管理算法。自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)緩存管理算法包括兩個(gè)模塊:動(dòng)態(tài)內(nèi)存分區(qū)、動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分區(qū)算法是根據(jù)當(dāng)前負(fù)載的特點(diǎn),尋找到映射關(guān)系區(qū)域大小和數(shù)據(jù)緩存區(qū)域大小的最佳比例,動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)存的分區(qū);動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整算法是根據(jù)近期寫請(qǐng)求的密度,調(diào)整提前寫回的緩存數(shù)據(jù)量的閾值,利用負(fù)載的請(qǐng)求間歇期、固態(tài)盤的內(nèi)

7、部空閑資源,根據(jù)閾值提前寫回部分緩存數(shù)據(jù),提前釋放數(shù)據(jù)緩存空間。實(shí)驗(yàn)表明,相比傳統(tǒng)緩存管理算法,自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)緩存管理算法可以明顯提高固態(tài)盤的讀寫性能、使用壽命。
　　固態(tài)盤模擬器是進(jìn)行固態(tài)盤研究的重要手段。固態(tài)盤模擬器SSDsim是基于“模塊化、高準(zhǔn)確性、可配置”這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,為研究者提供了測(cè)試固態(tài)盤的時(shí)間、壽命、能耗的模擬平臺(tái)。它分成三個(gè)主要部分:硬件行為層、數(shù)據(jù)緩存層、閃存轉(zhuǎn)換層。為了驗(yàn)證SSDsim的模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性