基于芯片特征的固態(tài)盤性能優(yōu)化研究.pdf

1、相對于傳統(tǒng)的磁盤，固態(tài)盤具有讀寫速度快、能耗低、抗震性好和噪音小等優(yōu)點，隨著閃存芯片價格的不斷降低，固態(tài)盤已經(jīng)廣泛應用于各行各業(yè)。如何進一步提高固態(tài)盤的性能，充分發(fā)揮固態(tài)盤的特性已經(jīng)成為固態(tài)盤研究的重要內(nèi)容。
　　固態(tài)盤通常由閃存芯片、控制器、接口、內(nèi)部緩存及相應的固件構(gòu)成。由于閃存的結(jié)構(gòu)與磁盤不一樣，因此固態(tài)盤需要一個中間轉(zhuǎn)換層（FTL，F(xiàn)lash Translation Layer）來隱藏閃存與磁盤的不同之處。FTL的主要功能

2、是將上層操作系統(tǒng)傳過來的邏輯地址轉(zhuǎn)換成固態(tài)盤內(nèi)部的物理地址，根據(jù)映射粒度大小的不同，目前FTL通常分為頁映射、塊映射和混合映射三種?；旌嫌成溆捎诰哂杏成浔硇?、效率高等優(yōu)點，得到廣泛的應用。在混合映射算法中，整個閃存存儲空間分為數(shù)據(jù)區(qū)和日志區(qū)，當日志區(qū)寫滿后需要將日志區(qū)與對應的數(shù)據(jù)區(qū)合并，合并操作會產(chǎn)生大量的讀、寫和擦除過程，嚴重影響固態(tài)盤的性能。在固態(tài)盤中有四種并行性，通道并行性、晶圓并行性、分組并行性及芯片并行性，通過這些并行操作，可

3、以降低固態(tài)盤的讀、寫及擦除操作的開銷，如果能將這些并行操作應用于混合映射，特別是混合映射中的合并操作，將極大地提高固態(tài)盤的性能。通過以上分析，提出了基于虛擬塊的混合映射固態(tài)盤算法VBP-FAST（Virtual Block-based Parallel--Fully Associative Section Translation），VBP-FAST算法重新構(gòu)造了固態(tài)盤閃存芯片的塊組織結(jié)構(gòu)，稱之為虛擬塊。通過虛擬塊，VBP-FAST算法對

4、固態(tài)盤的讀、寫及擦除操作可以完全并行執(zhí)行，降低了固態(tài)盤的讀、寫及擦除開銷，特別是降低了混合映射固態(tài)盤的完全合并操作的開銷。實驗結(jié)果表明，在通道數(shù)為8，晶圓數(shù)為2，分組數(shù)為2的情況下，VBP-FAST算法在隨機負載下響應時間比FAST（Fully Associative Section Translation）算法降低了5-8倍，在順序負載下它的響應時間比FAST算法降低了1.7倍。
　　隨著高性能新型存儲器件的出現(xiàn)，特別是相變存儲

5、器（Phase Change Memory， PCM）的出現(xiàn)，為了進一步提高固態(tài)盤性能，通常將小容量、高性能的PCM與閃存融合在一起組成混合固態(tài)盤。PCM通常作為閃存的日志區(qū)，當日志區(qū)寫滿后，需要通過合并過程讀取日志區(qū)及對應閃存塊中的有效數(shù)據(jù)，合并后寫到新的閃存塊中并釋放日志區(qū)空間。該合并過程開銷非常高，而且每次合并一個閃存塊只能釋放少部分日志區(qū)空間；另外，根據(jù)空間局部性原理，替換出日志區(qū)的閃存塊其相鄰的閃存塊在近期被訪問的可能性也很低

6、；根據(jù)閃存并行性的特點，這些相鄰閃存塊的操作（讀、寫及擦除）可以使用并行操作?；谝陨先c分析，提出了并行感知的頁內(nèi)日志混合固態(tài)盤算法，稱之為 P-aware-IPL(Parallel-Aware-In-Page Logging with PCM hybrid Solid-State Storage)，P-aware-IPL對于要替換出日志區(qū)的閃存塊，同時判斷其相鄰塊是否滿足替換條件，如果滿足則將要替換的閃存塊與其相鄰塊一起替換出日志區(qū)

7、，如果相鄰塊不滿足替換條件，則只替換該閃存塊。通過這種方式，可以降低合并操作開銷，提高日志區(qū)的命中率，并使每次合并操作釋放更多的日志區(qū)空間，從而提高混合固態(tài)盤的性能，延長了固態(tài)盤的整體壽命。實驗結(jié)果表明，P-aware-IPL在沒帶來其它開銷的情況下對閃存的寫和擦除操作比 Hybrid-IPL(In-Page Logging with PCM Hybrid Solid-State Storage)算法最高減少了10％，平均響應時間最高比

8、Hybrid-IPL減少了22%。
　　固態(tài)盤內(nèi)部通常會配置一個小容量的緩存，充分利用固態(tài)盤內(nèi)部的緩存是提高固態(tài)盤性能的重要途徑之一。由于閃存讀、寫的不對稱性，目前固態(tài)盤內(nèi)部緩存通常只做為寫緩存或者只是簡單的采用干凈頁先替換的策略，而不管這些干凈頁在將來是否還會再次被訪問。對于以讀為主的負載而言，該策略會導致緩存中存放大量一次性使用的臟數(shù)據(jù)，影響緩存的性能。針對這個問題，提出了一種基于權(quán)重的緩存管理算法，稱之為2QW-Clock(