隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的爆炸式增長,大數(shù)據(jù)存儲對更高性能、更大容量、更低價格的存儲芯片的需求也隨之增長。在過去的十年中,閃存以其性能好、抗震、輕便等優(yōu)異特性已經(jīng)逐步成為替代機械硬盤的存儲器件。但是受限于存儲單元尺寸的物理極限,閃存持續(xù)發(fā)展遭遇瓶頸。三維堆疊結(jié)構(gòu)的閃存架構(gòu)的出現(xiàn)為解決存儲容量問題提供了可行的方案。然而,采用傳統(tǒng)的閃存轉(zhuǎn)換層（Flash Translation Layer,FTL）方法管理3D閃存空間會產(chǎn)生性能和可靠性的問題,包括閃存塊內(nèi)頁數(shù)和閃存頁容量增大導(dǎo)致存儲空間利用率下降、數(shù)據(jù)傳輸時間浪費、垃圾回收開銷進一步增大,影響閃存設(shè)備性能。3D閃存內(nèi)部編程干擾相比2D閃存更加嚴重,導(dǎo)致使用過程中產(chǎn)生更多的比特錯誤,影響閃存設(shè)備可靠性。論文針對3D閃存管理中存在的問題,將FTL管理與閃存特性相結(jié)合來進行優(yōu)化,構(gòu)建高性能、高可靠的3D閃存設(shè)備。3D閃存頁容量不斷增大,而現(xiàn)有的FTL方案以閃存頁和塊為粒度進行映射,使得設(shè)備在處理小請求時引入更多冗余數(shù)據(jù)傳輸,嚴重影響閃存空間利用率和性能。提出了基于重復(fù)編程特性的多次閃存子頁寫入技術(shù),降低固態(tài)盤響應(yīng)時間,減少閃存擦除次數(shù)。其核心思想是將閃存頁... 

【文章來源】：華中科技大學(xué)湖北省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：138 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

閃存頁組織架構(gòu)變化

論文研究內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。主要研究內(nèi)容包含在第二章、第三章和第四章。第二章針對閃存讀寫基本單位大小與文件系統(tǒng)塊大小不匹配導(dǎo)致閃存頁利用率低下,整體性能降低的問題,基于閃存編程機理開發(fā)利用閃存頁的重復(fù)編程特性,提出一種針對大容量閃存頁的性能優(yōu)化技術(shù),即基于重復(fù)編程特性的多次閃存子頁寫入技術(shù)。第三章針對單顆3D閃存芯片容量持續(xù)增大導(dǎo)致相同存儲容量下可并行單元減少的問題,從閃存讀寫延遲不對稱特性以及閃存通道內(nèi)部多級并行性等研究方向提出一種最優(yōu)化閃存通道帶寬的技術(shù),即基于閃存讀寫不對稱特性的通道帶寬優(yōu)化技術(shù)。第四章針對3D MLC閃存帶來的更嚴重的內(nèi)部編程干擾問題,結(jié)合編程干擾特性以及寫操作自身特點,提出一種針對3D MLC閃存的可靠性和性能的優(yōu)化技術(shù),即基于干擾補償?shù)淖x寫優(yōu)化管理技術(shù)�？傮w而言,本文圍繞著3D閃存高效管理和調(diào)度的方向進行研究,核心章節(jié)包括第二章至第四章,主要研究內(nèi)容如下:(1)基于重復(fù)編程特性的多次閃存子頁寫入技術(shù)。隨著制造工藝的進步以及堆疊層數(shù)增長,NAND閃存頁容量不斷增長。雖然更大的閃存頁可以降低每比特的成本,提高閃存的吞吐量,但由于其與文件系統(tǒng)塊大小不匹配,可能會浪費存儲空間和數(shù)據(jù)傳輸時間,在處理小請求時導(dǎo)致更頻繁的垃圾回收。針對I/O請求大小與寫入單元不匹配問題,為SLC型閃存設(shè)計了基于重復(fù)編程特性的多次子頁寫入技術(shù)(MGA-FTL)。通過將大容量閃存頁劃分為多個閃存子頁,MGA-FTL支持更細粒度的閃存空間管理,并且利用閃存頁重復(fù)編程,實現(xiàn)多次向同一個閃存頁中的不同閃存子頁寫入數(shù)據(jù)。為了控制存儲映射表的內(nèi)存開銷,引入兩級映射來處理不同大小的請求,初始情況下只保持頁級映射表,只有在處理小于閃存頁大小的請求時才相應(yīng)創(chuàng)建子頁級映射表項。同時,為了平衡空間利用率和性能,分配策略將決定是否允許將不同的邏輯頁面映射到同一個物理頁面內(nèi)。為MLC型閃存設(shè)計了基于雙模操作的多次子頁寫入技術(shù)(MSPW-FTL)。由于MLC閃存單元狀態(tài)轉(zhuǎn)換受到了額外的限制而無法像SLC閃存那樣重復(fù)編程。MSPW-FTL通過利用SLC/MLC雙模式結(jié)合重復(fù)編程特性來解決這一問題,通過將MLC模式閃存塊轉(zhuǎn)換為SLC模式閃存塊,小數(shù)據(jù)存儲在SLC模式閃存塊的閃存子頁中。除了沿用兩級映射表來控制內(nèi)存用量外,MSPW-FTL提出了數(shù)據(jù)管理模塊,用于處理子頁粒度分配引起的數(shù)據(jù)碎片問題。MGA-FTL和MSPW-FTL技術(shù)在本文第二章進行介紹。

閃存單元都是靠存儲層中存儲的電荷數(shù)目不同從而體現(xiàn)出不同的閾值電壓來進行邏輯區(qū)別的,在未儲存電荷時,單元閾值電壓最低,這個狀態(tài)也稱之為“擦除狀態(tài)”,用來表示邏輯‘1’;隨著儲存電荷數(shù)目增加,單元閾值電壓增高,電荷的注入被稱為“編程”或者“寫入”,用來表示邏輯‘0’。電荷注入的原理是FN隧道效應(yīng)(Fowler–Nordheim Tunneling Mechanism),通過控制柵和襯底之間的高電勢差,半導(dǎo)體襯底中的電子利用隧道效應(yīng)穿過氧化層進入存儲層中被保存下來。一個閃存頁中的所有閃存單元共享同一根字線上的編程電壓Vpp,而為了讓閃存頁中不同單元能分別寫入邏輯‘1’和‘0’,需要禁止寫入邏輯‘1’的單元發(fā)生隧道效應(yīng),編程操作就使用了寫入禁止方法[40]。寫入禁止方法通過控制單元對應(yīng)的位線電壓,使柵極與襯底間形成不同電勢差,實現(xiàn)寫入不同邏輯值。圖2-1展示了SLC型閃存單元寫入禁止時的電壓偏置狀態(tài)示意圖。圖中四條字線分別對應(yīng)四個閃存頁,每個閃存頁包含兩個比特。向閃存頁1寫入數(shù)據(jù)‘01’(單元A寫入‘0’,單元B寫入‘1’),驅(qū)動對應(yīng)字線1至高編程電壓(通常為9-20V);將閃存頁中真實想寫入數(shù)據(jù)的單元對應(yīng)的位線驅(qū)動至VGN D,即接地電壓;對閃存頁中想要保持不變單元對應(yīng)的位線施加電壓Vcc,約為10V,降低通道氧化層兩端的電勢差,因此不發(fā)生隧道效應(yīng);其他字線則驅(qū)動至導(dǎo)通電壓,約為6V。(2)SLC閃存重復(fù)編程的實現(xiàn)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]NTFS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J]. 王蘭英,居錦武.  計算機工程與設(shè)計. 2006(03)

博士論文
[1]高性能固態(tài)盤的多級并行性及算法研究[D]. 胡洋.華中科技大學(xué) 2012



本文編號：3615252