本文選題：MLC　切入點：NAND　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：NAND flash作為一種非易失性存儲器件,相對于磁盤存儲器具有功耗較低、訪問速度更快以及良好的抗震特性等優(yōu)點,因此在信息存儲領(lǐng)域尤其是測試信息存儲領(lǐng)域取得了廣泛應用。其中,MLC(Multi Level Cell)NAND flash由于存儲密度為SLC(Single Level Cell)NAND flash數(shù)倍,成本較低,已經(jīng)成為主流的NAND flash存儲介質(zhì)。但是,隨著MLC NAND flash存儲容量及存儲密度增加,基于MLC NAND flash存儲系統(tǒng)可靠性問題也日益突出。目前,MLC NAND flash存儲系統(tǒng)可靠性問題主要集中在以下三個方面:錯誤率升高、使用壽命降低及發(fā)生意外掉電時數(shù)據(jù)丟失問題。本論文首先從MLC NAND flash結(jié)構(gòu)及工作原理角度分析了錯誤率升高、使用壽命降低及對意外掉電敏感問題的內(nèi)在機理,然后針對這三個可靠性問題,提出了提高存儲系統(tǒng)可靠性方法,主要工作如下:首先研究了MLC NAND flash存儲系統(tǒng)錯誤率升高的問題。本文通過分析文件系統(tǒng)不同請求的重要程度,針對傳統(tǒng)冗余備份方法會給存儲系統(tǒng)帶來大量存儲空間開銷的缺陷,提出了元數(shù)據(jù)冗余方法,通過僅對系統(tǒng)元數(shù)據(jù)進行備份降低元數(shù)據(jù)錯誤率;為了降低冗余備份方法對系統(tǒng)I/O性能造成的開銷,利用MLC NAND flash錯誤率非對稱分布的特性,通過將系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)合理分布于物理存儲空間,最終達到降低存儲系統(tǒng)錯誤率,同時不犧牲存儲系統(tǒng)I/O性能的目的;設計并實現(xiàn)了實際的硬件實驗平臺,本文所有實現(xiàn)均基于此硬件實驗平臺。其次研究了延長MLC NAND flash存儲系統(tǒng)使用壽命的方法。NAND flash存儲系統(tǒng)的使用壽命與垃圾回收次數(shù)直接相關(guān),本文通過對MLC NAND flash存儲系統(tǒng)垃圾回收操作及并行訪問方法進行分析,針對基于MLC NAND flash的固態(tài)盤,將并行訪問方法與垃圾回收方法結(jié)合,提出了一種垃圾回收相關(guān)的并行訪問方法。垃圾回收相關(guān)的并行訪問方法將順序訪問請求隊列的請求順序根據(jù)存儲系統(tǒng)并行程度重新組織,以實現(xiàn)與串行訪問方法相近的垃圾回收開銷同時不犧牲存儲系統(tǒng)I/O性能,有效地降低了存儲系統(tǒng)垃圾回收次數(shù),從而延長了使用壽命。最后研究了MLC NAND flash存儲系統(tǒng)意外掉電時數(shù)據(jù)丟失問題。本文對采用電容作為臨時電源的固態(tài)盤建立意外掉電模型,分析了固態(tài)盤各部分耗能情況,針對以電容作為臨時電源的MLC NAND flash存儲系統(tǒng),提出了貪婪備份方法。貪婪備份將電容放電過程與器件特性進行結(jié)合,通過動態(tài)通道選擇策略和快速安全編程策略,避免了存儲系統(tǒng)意外掉電時出現(xiàn)的低頁破壞現(xiàn)象,同時有效提高了備份效率。
[Abstract]:As a non-volatile memory device, NAND flash has the advantages of lower power consumption, faster access speed and better seismic performance than disk memory. Therefore, it has been widely used in the field of information storage, especially in the field of test information storage, in which MLC / Multi Level Cell)NAND flash has become the mainstream storage medium of NAND flash because of its low cost and several times the storage density of SLC(Single Level Cell)NAND flash. With the increase of storage capacity and density of MLC NAND flash, the reliability problem of storage system based on MLC NAND flash is becoming more and more prominent. At present, the reliability problem of NAND flash storage system based on MLC NAND is mainly focused on the following three aspects: the increase of error rate. In this paper, the inherent mechanism of the increase of error rate, the decrease of service life and the sensitivity to accidental power loss are analyzed from the point of view of the structure and working principle of MLC NAND flash. Then, aiming at these three reliability problems, a method to improve the reliability of storage system is proposed. The main work is as follows: firstly, the problem of increasing the error rate of MLC NAND flash storage system is studied. In view of the defect that the traditional redundant backup method will bring a large amount of storage space overhead to the storage system, a metadata redundancy method is proposed, which can reduce the metadata error rate by only backing up the system metadata. In order to reduce the overhead caused by redundant backup method to the I / O performance of the system, by using the asymmetric distribution of MLC NAND flash error rate, the key data of the system can be reasonably distributed in the physical storage space to reduce the memory system error rate. At the same time, without sacrificing the performance of the storage system I / O, the hardware experimental platform is designed and implemented. All the implementations of this paper are based on this hardware experimental platform. Secondly, the method of prolonging the service life of MLC NAND flash storage system is studied. The service life of NAND flash storage system is directly related to the number of garbage collection. By analyzing the garbage collection operation and parallel access method of MLC NAND flash storage system, this paper combines the parallel access method with the garbage collection method for the solid-state disk based on MLC NAND flash. This paper proposes a parallel access method related to garbage collection, which reorganizes the request order of sequential access request queue according to the degree of parallelism of storage system. In order to realize the garbage collection cost similar to the serial access method without sacrificing the I / O performance of the storage system, it can effectively reduce the garbage collection times of the storage system. Finally, the problem of data loss when the MLC NAND flash storage system is accidentally power down is studied. In this paper, an accidental power loss model is established for the solid-state disk with capacitance as the temporary power supply, and the energy consumption of each part of the solid-state disk is analyzed. In this paper, a greedy backup method is proposed for MLC NAND flash storage system with capacitors as temporary power supply. Greedy backup combines capacitive discharge process with device characteristics, and adopts dynamic channel selection strategy and fast security programming strategy. It can avoid the low page damage when the storage system power down unexpectedly, and improve the backup efficiency effectively at the same time.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333

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本文編號：1651308