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1、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2019.11.25主要内容oSSD简介oFlash-based SSD特点oSSD内部结构oSSD关键技术oSSD设计方案oSSD相关项目oSSD工业界厂商o实验平台o参考资料1 SSD(Solid State Disk)简介o基于半导体的存储设备1.1 SSD分类1.2 SSD应用领域o个人计算机BIOS 存储o嵌入式系统的标准存储器o在某些笔记本电脑中代替磁盘作为外存储器o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2 Flash-based SSD 特点2.1 S
2、SD优点oReliability in portable environments and no noiseoNo moving partsoFaster start up oDoes not need spin upoExtremely low read latencyoNo seek time(25 us per page/4KB)oDeterministic read performanceoThe performance does not depends on the location of data2.2 SSD缺点oCost significantly more per unit
3、capacityo3$/GB vs.0.15$/GBoLimited write erase timeo100000 writes for SLC(MLC is even fewer)ohigh endurance cells may have an 1-5 millionoBut some files still need moreoWeaver leaving to spread writes all over the diskoSlower write speeds because of the erase blocks are becoming larger and larger(1.
4、5 ms per erase)oFor low capacity flash SSDs,low power consumption and heat production when in active use.High capacity SSDs may have significant higher power requirements2.3 典型读写速率硬盘读性能2.4 Flash重写问题3 SSD内部结构SSD逻辑组件3.1 Flash 内存oFlash memoryoA non-volatile semiconductor memory deviceoKey feature:oTo o
5、verwrite data,the memory cell should be erased first.oKinds of flash memoryoNORoIntroduced by Intel in 1988oRandomly access data,like a computers main memoryoUse for executing program codeoNANDoIntroduced by Toshiba in 1989oSmaller and denser.o NAND is better at storing data.oFaster erase and write
6、timeNORNANDNAND vs.NORPros of NANDPros of NORCons of NANDCons of NORFor Mass StorageFor Code Storage1.Smaller cell size2.Limited bad blocks allowed3.Fast writing4.Lower power consumption1.Fast random(read)access1.Slow random(read)access1.Larger cell size2.No bad blocks are allowed3.Slow writing4.Hig
7、her power consumptionWe focus on the NAND flash memory!NAND FlashoOrganization of NAND flash memoryoSmall-block flash memoryoEach page is(512+16)bytes longo32 pages in each blockoLarge-block flash memoryoEach page is(2048+64)bytes longo64 pages in each blockPage 0Block 1Page 1Page m-1Block n-1Block
8、051216204864 Page layout for small-block flash memory Page layout for small-block flash memory Page layout for large-block flash memory Page layout for large-block flash memory Main Area Spare AreachipNAND FlashoPrimitive operations of NAND flash memoryoRead page o(chip#,block#,page#)o20 usoWrite(pr
9、ogram)pageo(chip#,block#,page#)o200 usoErase blocko(chip#,block#)o2 ms3.2 NAND FLASH连接oPackage:共享一个bus通道的一组flash dies。oDie:由一组planes组织起来的单个flash内存芯片。oPlane:由 blocks组成，提供单个 page-sized register。oBlock:由pages组成，最小擦除单位。oPage:读写最小单元。3.3 SSD软件层次结构4 SSD关键技术oFlash管理是通过FTL进行o地址映射o垃圾回收o损耗均衡o数据可靠性4.1 Flash Tra
10、nslation Layer(FTL)+Device DriverReadWriteEraseFile SystemRead SectorsWrite SectorsFlash MemoryFlash MemoryMismatch!+Device DriverFlash MemoryFlash MemoryFTL+Read SectorsWrite SectorsFile SystemRead SectorsWrite SectorsFTLoDefinitionoSoftware layer that makes flash memory appear to the system like a
11、 disk driveoChallenges in FTLoAsymmetry in read and write speedsoNo overwrite is allowed without erasingFTLoRead request from upper layeroNo problem.oWrite request from upper layeroThere is a problem.oErase operation must be done first(the erase operation is performed in a block unit)to overwrite da
12、ta.o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o页映射(page-level)o块映射(block-level)o混合映射hybrid-level)4.2 页映射算法o思想：构建一个逻辑页(page/sector)和物理页映射表来记录映射关系。(类似全相关cache)o优点:能够将任何逻辑页映射到物理页o有效的flash页利用率。o缺点:映射表过大o16GB flash,2KB flash pageo要求32MB SRAM。o当flash更大事,SRAM要扩展。o价格昂贵。页映射算法示例4.3 块映射算法o思想：构建逻辑块和物理块的映射表，逻辑页和
13、物理页在对应块中偏移相同。o优点：映射表小o映射表减小64倍block size/page size)=64。o缺点:页在块中偏移固定o垃圾回收开销增大块映射算法示例4.4 混合映射算法o思想：将数据分为两类oData blocks:block-level mappingoLog/update blocks:page-level mapping4.5 State-of-the-art FTL算法oBAST FTL(2019)oFAST FTL(2019)oSuperBlock FTL(2019)oLAST FTL(2019)oDFTL(2021)4.5.1 BAST FTL(2019)o Sy
14、stem Software for Flash Memory:A Survey.In Proceedings of the International Conference on Embedded and Ubiquitous o思想：一个日志块专门与一个数据块关联。o缺乏：日志块利用率不高，出现日志块抖动，全合并开销增大。4.5.2 FAST FTL(2019)o A Log Buffer based Flash Translation Layer Using Fully Associative Sector Translation.IEEE Transactions on Embedded
15、 Computing Systemso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。o缺乏：不适合多路顺序流。4.5.3 SuperBlock FTL(2019)o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。o缺乏：带外OOB读写开销大。4.5.4 LAST FTL(2019)o思想：利用存储访问的局部性，减少垃圾回收的开销。(high temporal locality,sequential locality is also high,there are many random writes which ar
16、e inter-posed between sequential writes):将顺序访问和随机访问划分o为局部性强负载提供多个顺序日志块o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。4.5.5 DFTL(2021)o思想：o实现页级映射o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o减少SRAM开销，降低合并开销无FULL合并）。4.6 垃圾回收GC）o为什么要回收为什么要回收o标记作废的数据虽然无效但仍然占据物标记作废的数据虽然无效但仍然占据物理存储空间理存储空间o物理存储单元在其被擦除之前不能被重物理存储单元在其被擦除
17、之前不能被重新使用新使用o主机对底层物理存储空问的占用情况一主机对底层物理存储空问的占用情况一无所知无所知o什么是垃圾回收什么是垃圾回收o选择一个包含无效页的块，将该块中的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。块擦除以备再次使用。4.6.1 垃圾回收中的合并oGC合并日志块和数据块oSwitch MergeoPartial MergeoFull Merge4.6.2 Full Merge例子o垃圾回收策略o空闲块阀值回收o实时回收o无效数据阀值回收o垃圾回收方式o选取什么块作为回收块o选取什么clean块容纳回
18、收块中有效数据4.7 损耗均衡o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。o随机性磨损均衡算法o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oBan提出的算法：在每次写或擦除操作提出的算法：在每次写或擦除操作后，依照后，依照o11000的概率来触发磨损均衡处理的概率来触发磨损均衡处理oAssar算法：将算法：将“冷数据转移到擦除数已达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到最大的块上，而该块在本周期中已禁止再被擦除擦除oYuanHao Chang算法：用一个算法：
19、用一个bit位数组位数组来记录本周期内的擦除情况，将连续的来记录本周期内的擦除情况，将连续的2的的k次次方方(其中其中k0)个数据块组成一个块集合，每一个数据块组成一个块集合，每一位位bit表示对应的块集合中是否有数据块被擦除表示对应的块集合中是否有数据块被擦除过，若有则该过，若有则该bit记记1，反之记，反之记0。oDual-Pool算法：对热池块中擦除次数最大的算法：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，时间开销杂
20、，导致其在执行时内存消耗较大，时间开销也很大也很大5 SSD设计方案oFlash软件平台oFlash硬件平台5.1 Flash软件开发要求o尽可能提供适应多种主机的不同接口o足够灵活，允许不同flash控制器的开发o支持flash和不同下代NVRAMo允许精确的性能和能耗测量o提供其他资源(DRAM和SRAM)使得设计flash硬件和软件具有灵活性5.2 Flash硬件平台o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。oASIC 平台：将flash硬件和软件集成到一个ASIC芯片中。oSSD 平台：专门用于开发基于flash的SSD。5.2.1 NVRAM模块 5.2.2 传
21、统平台5.2.3 ASIC平台5.2.4 SSD平台oSSD平台：高性能，大容量oSSD开发平台需要：o多处理器的多线程FTLo更大容量FPGA来实现带多数据通路的智能flash控制器o与硬盘接口兼容如P-ATA,S-ATA)o多通道flash接口实现并行化合可扩展性o更大的SRAM和DRAM，实现caching和write-buffering.o更高带宽6 SSD相关研究项目oProject1:Improving Write PerformanceoProject2:SSD as a Log DeviceoProject3:Wear LevelingoOther:oSSD for Power
22、 SavingoSSD Relialibity IssueoDBMS+SSDoB+-Tree for SSDoSSD for checkpointing6.1 Improving Write PerformanceProblem Definition6.2 SSD as a Log DeviceFlash as a Log DeviceWhat is new?What is new?(cont.)What is new?(contd.)6.3 Wear LevelingCharacteristics of Flash MemorySLC vs.MLCApproachesMotivation7
23、SSD工业界厂商o国际oIBMoIntel X25-E oOCZ vertex-ex o东芝o三星oSanDisko美光(MICRON)oioDrive Duoo国内o忆正(MemoRight,华中科大)o固捷(武汉,华中科大)o源科(RunCore,长沙,国防科大）8 实验平台oDiskSimopdl.cmu.edu/DiskSim/oCMU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oPSU Flashsimocsl.cse.psu.edu/?q=node/321o普通o面向对象oMicrosoft oresearch.microsoft/en-us/downloads/b41019e2-1d2b-44d8-b512-ba35ab814cd4/oVSSIM:Virtual SSD SimulatoroHanyang University,Seoul,Korea9 参考资料o顶级会议：oFASToISCA,oOSDIoHPCAoUSENIX ATCoMICRO,oASPLOS,oEuroSys，oMSSToSNIA