高性能固態(tài)盤的多級并行性及算法研究.pdf

1、基于閃存的固態(tài)盤(Flash-based Solid State Disk:SSD)是近些年出現(xiàn)的一種新型存儲設(shè)備。傳統(tǒng)硬盤是由機械部件組成,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?，F(xiàn)在,固態(tài)盤已逐漸成為便攜計算機系統(tǒng)、桌面計算機系統(tǒng)、大型服務(wù)器系統(tǒng)、高性能計算系統(tǒng)的重要存儲設(shè)備。但是閃存具有一些獨特的讀寫特性,如:先擦后寫、擦寫次數(shù)有限、單個閃存芯片的讀寫性能有限,因

2、此,對于固態(tài)盤組成、軟件結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計應(yīng)該是有針對性的,根據(jù)這些特性和外部負載的特點而進行特別“定制”。
　　固態(tài)盤中有多個通道,每個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:多分組操作高級命令是利用分組間并

3、行;交錯操作高級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,針對高級命令和分配方式與四層并行性之間的關(guān)系問題;針對四層并行性之間的優(yōu)先級關(guān)系的問題,本文通過研究高級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。實驗數(shù)據(jù)顯示,四層并行之間的最佳優(yōu)先級是: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方面的要求。為了達到兼顧性能、壽命、能耗的目標,本文提出了兩種不同的FTL算法,即三層頁級映射算法、隱藏翻譯過程映射算法。三層頁級映射算法是利用固態(tài)盤的硬件結(jié)構(gòu),將一個分組分成多個部分,從分配的角度將整個固態(tài)盤

5、從邏輯上看成三層結(jié)構(gòu):通道—塊組—頁。在這個算法中,當一組邏輯頁被分配到一個塊組時,這些邏輯頁可以分配到塊組中任意一個物理頁。三層頁級映射減少了映射表容量,卻提供了類似于純粹頁級映射的性能,是一個高性能、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)中引入一個非易失存儲器件(相變存儲器),用以存放所有的頁級映射關(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)的路徑進行分離,達到了與頁級映射相同的性能,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)的動態(tài)緩存管理算法。自適應(yīng)的動態(tài)緩存管理算法包括兩個模塊:動態(tài)內(nèi)存分區(qū)、動態(tài)閾值調(diào)整。動態(tài)內(nèi)存分區(qū)算法是根據(jù)當前負載的特點,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,動態(tài)調(diào)整內(nèi)存的分區(qū);動態(tài)閾值調(diào)整算法是根據(jù)近期寫請求的密度,調(diào)整提前寫回的緩存數(shù)據(jù)量的閾值,利用負載的請求間歇期、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。實驗表明,相比傳統(tǒng)緩存管理算法,自適應(yīng)的動態(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、高準確性、可配置”這一目標而設(shè)計實現(xiàn)的,為研究者提供了測試固態(tài)盤的時間、壽命、能耗的模擬平臺。它分成三個主要部分:硬件行為層、數(shù)據(jù)緩存層、閃存轉(zhuǎn)換層。為了驗證SSDsim的模擬結(jié)果的準確性