《SSD相关技术研究》PPT课件

SSD相关技术研究武汉大学计算机学院系统结构研究所何水兵许先斌杨元华2010.11.25主要内容SSD简介Flash-basedSSD特点SSD内部结构SSD关键技术SSD设计SSD相关项目SSD工业界厂商实验平台参考资料1SSD(SolidStateDisk)简介基于半导体的存储设备1.1SSD分类1.2SSD应用领域个人计算机BIOS存储嵌入式系统的存储器在某些笔记本电脑中代替磁盘作为外存储器企业级存储的高端存储阵列1.3数据访问时间1.4随机I/O性能1.5能耗1.6性能和价格2Flash-basedSSD特点2.1SSD优点ReliabilityinportableenvironmentsandnonoiseNomovingpartsFasterstartupDoesnotneedspinupExtremelylowreadlatencyNoseektime(25usperpage/4KB)DeterministicreadperformanceTheperformancedoesnotdependsonthelocationofdata2.2SSD缺点Costsignificantlymoreperunitcapacity3$/GBvs.0.15$/GBLimitedwriteerasetime100000writesforSLC(MLCisevenfewer)highendurancecellsmayhavean1-5millionButsomefilesstillneedmoreWeaverleavingtospreadwritesalloverthediskSlowerwritespeedsbecauseoftheeraseblocksarebecominglargerandlarger(1.5mspererase)ForlowcapacityflashSSDs,lowpowerconsumptionandheatproductionwheninactiveuse.HighcapacitySSDsmayhavesignificanthigherpowerrequirements2.3典型读写速率硬盘读性能2.4Flash重写问3SSD内部结构SSD逻辑组件3.1Flash内存FlashmemoryAnon-volatilesemiconductormemorydeviceKeyfeature:Tooverwritedata,thememorycellshouldbeerasedfirst.KindsofflashmemoryNORIntroducedbyIntelin1988Randomlyaccessdata,likeacomputer’smainmemoryUseforexecutingprogramcodeNANDIntroducedbyToshibain1989Smalleranddenser.→NANDisbetteratstoringdata.FastereraseandwritetimeNORNANDNANDvs.NORProsofNANDProsofNORConsofNANDConsofNORForMassStorageForCodeStorage1.Smallercellsize2.Limitedbadblocksallowed3.Fastwriting4.Lowerpowerconsumption1.Fastrandom(read)access1.Slowrandom(read)access1.Largercellsize2.Nobadblocksareallowed3.Slowwriting4.HigherpowerconsumptionWefocusontheNANDflashmemory!NANDFlashOrganizationofNANDflashmemorySmall-blockflashmemoryEachpageis(512+16)byteslong32pagesineachblockLarge-blockflashmemoryEachpageis(2048+64)byteslong64pagesineachblockPage0Block1Page1Pagem-1Blockn-1Block051216204864Pagelayoutforsmall-blockflashmemoryPagelayoutforlarge-blockflashmemoryMainAreaSpareAreachipNANDFlashPrimitiveoperationsofNANDflashmemoryReadpage(chip#,block#,page#)~20usWrite(program)page(chip#,block#,page#)~200usEraseblock(chip#,block#)~2ms3.2NANDFLASH连接Package:共享一个bus通道的一组flashdies。Die:由一组planes组织起来的单个flash内存芯片。Plane:由blocks组成，提供单个page-sizedregister。Block:由pages组成，最小擦除单位。Page:读写最小单元。3.3SSD软件层次结构4SSD关键技术Flash管理是通过FTL进行地址映射垃圾回收损耗均衡数据可靠性4.1FlashTranslationLayer(FTL)+DeviceDriverReadWriteEraseFileSystemReadSectorsWriteSectorsFlashMemoryFlashMemoryMismatch!+DeviceDriverFlashMemoryFlashMemoryFTL+ReadSectorsWriteSectorsFileSystemReadSectorsWriteSectorsFTLDefinitionSoftwarelayerthatmakesflashmemoryappeartothesystemlikeadiskdriveChallengesinFTLAsymmetryinreadandwritespeedsNooverwriteisallowedwithouterasingFTLReadrequestfromupperlayerNoproblem.WriterequestfromupperlayerThereisaproblem.Eraseoperationmustbedonefirst(theeraseoperationisperformedinablockunit)tooverwritedata.完成逻辑地址到物理地址映射转换，将逻辑页号转换成闪存的物理页号4.1地址映射分类页映射(page-level)块映射(block-level)混合映射（hybrid-level)4.2页映射算法思想：构建一个逻辑页(page/sector)和物理页映射来记录映射关系。(类似全相关cache)优点:能够将任何逻辑页映射到物理页有效的flash页利用率。缺点:映射表过大16GBflash,2KBflashpage32MBSRAM。当flash更大事,SRAM要扩展。价格昂贵。页映射算法示例4.3块映射算法思想：构建逻辑块和物理块的映射表，逻辑页和物理页在对应块中偏移相同。优点：映射表小映射表减小64倍（blocksize/pagesize)=64。缺点:页在块中偏移固定垃圾回收开销增大块映射算法示例4.4混合映射算法思想：将数据分为两类Datablocks:block-levelmappingLog/updateblocks:page-levelmapping4.5State-of-the-artFTL算法BASTFTL(2006)FASTFTL(2007)SuperBlockFTL(2006)LASTFTL(2008)DFTL(2009)4.5.1BASTFTL(2006)SystemSoftwareforFlashMemory:ASurvey.InProceedingsoftheInternationalConferenceonEmbeddedandUbiquitous思想：一个日志块专门与一个数据块关联。不足：日志块利用率不高，出现日志块抖动，全合并开销增大。4.5.2FASTFTL(2007)ALogBufferbasedFlashTranslationLayerUsingFullyAssociativeSectorTranslation.IEEETransactionsonEmbeddedComputingSystems思想：允许一个日志块被多个数据块关联共享，一个顺序日志块用于顺序更新，其他日志块用于随机写。不足：不适合多路顺序流。4.5.3SuperBlockFTL(2006)思想：利用负载的空间局部性，将连续的逻辑块结合为超级块。在超级块内使用页映射算法。不足：带外OOB读写开销大。4.5.4LASTFTL(2008)思想：利用存储访问的局部性，减少垃圾回收的开销。(hightemporallocality,sequentiallocalityisalsohigh,therearemanyrandomwriteswhichareinter-posedbetweensequentialwrites):将顺序访问和随机访问划分为局部性强负载提供多个顺序日志块将随机日志块划分成hot（高时间局部性数据）和cold区，减少FULL合并开销。4.5.5DFTL(2009)思想：实现页级映射映射表本身保存在FLASH上面，同时将映射表中被使用的部分映射表缓冲在SRAM中减少SRAM开销，降低合并开销（无FULL合并）。4.6垃圾回收（GC）为什么要回收标记作废的数据虽然无效但仍然占据物理存储空间物理存储单元在其被擦除之前不能被重新使用主机对底层物理存储空问的占用情况一无所知什么是垃圾回收选择一个包含无效页的块，将该块中的有效页迁移到一个干净块中，然后将该块擦除以备再次使用。4.6.1垃圾回收中的合并GC合并日志块和数据块SwitchMergePartialMergeFullMerge4.6.2FullMerge例子4.6.3垃圾回收相关问题垃圾回收策略空闲块阀值回收实时回收无效数据阀值回收垃圾回收方式选取什么块作为回收块选取什么clean块容纳回收块中有效数据4.7损耗均衡闪存块的擦除次数有限，如果某块的擦除次数达到上限，固态盘的整体性能将会大打折扣，所以需要负载均衡算法来使所有数据块的擦除次数尽可能地均匀。随机性磨损均衡算法确定性磨损均衡算法4.7.1随机性磨损均衡算法的典型算法Ban提出的算法：在每次写或擦除操作后，按照1／1000的概率来触发磨损均衡处理4.7.2确定性磨损均衡算法典型算法Assar算法：将“冷”数据转移到擦除数已达到最大的块上，而该块在本周期中已禁止再被擦除Yuan—HaoChang算法：用一个bit位数组来记录本周期内的擦除情况，将连续的2的k次方(其中k≥0)个数据块组成一个块集合，每一位bit表示对应的块集合中是否有数据块被擦除过，若有则该bit记1，反之记0。Dual-Pool算法：对热池块中擦除次数最大的块与冷池块中擦除次数最小的块根据一定的阀值进行交换，以达到磨损平衡的目的。算法复杂，导致其在执行时内存消耗较大，时间开销也很大5SSD设计方案Flash软件平台Flash硬件平台5.1Flash软件开发要求尽可能提供适应多种主机的不同接口足够灵活，允许不同flash控制器的开发支持flash和不同下代NVRAM允许精确的性能和能耗测量提供其他资源(DRAM和SRAM)使得设计flash硬件和软件具有灵活性5.2Flash硬件平台传统平台：由传统嵌入式系统搭建，但是不含有嵌入式法拉盛控制器。ASIC平台：将flash硬件和软件集成到一个ASIC芯片中。SSD平台：专门用于开发基于flash的SSD。5.2.1NVRAM模块5.2.2传统平台5.2.3ASIC平台5.2.4SSD平台SSD平台：高性能，大容量SSD开发平台需要：多处理器的多线程FTL更大容量FPGA来实现带多数据通路的智能flash控制器与硬盘接口兼容（如P-ATA,S-ATA)多通道flash接口实现并行化合可扩展性更大的SRAM和DRAM，实现caching和write-buffering.更高带宽6SSD相关研究项目Project1:ImprovingWritePerformanceProject2:SSDasaLogDeviceProject3:WearLevelingOther:SSDforPowerSavingSSDRelialibityIssueDBMS+SSDB+-TreeforSSDSSDforcheckpointing6.1ImprovingWritePerformanceProblemDefinition6.2SSDasaLogDeviceFlashasaLogDeviceWhatisnew?Whatisnew?(cont.)Whatisnew?(contd.)6.3WearLevelingCharacteristicsofFlashMemorySLCvs.MLCApproachesMotivation7SSD工业界厂商国际IBMIntelX25-EOCZvertex-ex东芝三星SanDisk美光(MICRON)ioDriveDuo国内忆正(MemoRight,华中科大)固捷(武汉,华中科大)源科(RunCore,长沙,国防科大）8实验平台DiskSimhttp://www.pdl.cmu.edu/DiskSim/CMU大学设计的一种高效、准确、可配置的磁盘仿真系统。它支持各方面存储子系统的研究。它包括模块模拟磁盘、中间控制器、总线、设备驱动程序、请求调度、磁盘块缓存和磁盘阵列的数据组织。8.1相关仿真器PSUFlashsimhttp://csl.cse.psu.edu/?q=node/321普通面向对象Microsofthttp://research.microsoft.com/en-us/downloads/b41019e2-1d2b-44d8-b512-ba35ab814cd4/VSSIM:VirtualSSDSimulatorHanyangUniversity,Seoul,Korea9参考资料顶级会议：FASTISCA,OSDIHPCAUSENIXATCMICRO,ASPLOS,EuroSys，MSSTSNIA