基于NVM的混合固态盘的研究

SSD has been widely used in the storage industry, Hybrid SSDs based on NVM is an important part of the research of SSDs. This project focuses on the study of the hybrid SSDs's storage architecture, data distribution strategy, buffer management of hybrid SSDs. The main contents include: (1) A suitable hybrid SSDs system is designed to improve the performance of the hybrid SSDs. (3) There are different reading and writing characteristics of various chips. System stores the data to the right place which will improve the performance of the hybrid solid drivers. (3) Read and write speed of Flash and PCM have asymmetric characteristic. We give different weights to the read page and write page. The weights of these pages will be dynamically adjusted in the process of the system. Therefore, it can get high write page hit ratios while maintaining high total page hit ratios.(4)The parallel page padding technology is used to improve the parallel operation of the hybrid SSDs.

固态盘广泛应用于存储领域，基于NVM的混合固态盘是固态盘研究的重要内容，本项目着重研究混合固态盘的存储体系结构，数据分布策略，缓存管理算法及闪存内部并行性的开发利用。主要内容包括：（1）设计一种合适的混合固态盘存储体系结构，提高混合固态盘的性能；（2）针对混合固态盘中各种芯片具有不同的读写特性，将不同类型数据存储到合适的芯片，充分发挥各种芯片的性能；（3）针对闪存及相变存储器具有读写不对称的特性，结合目前优秀的通用缓存管理算法，对调入缓存的读、写页面赋予不同的权值，写页面权值大于读页面权值，页面的权值在系统运行过程中将随着页面命中情况动态调整，替换时选择权值最小的页面，从而达到提高缓存总命中率的前提下进一步提高缓存的写命中率，提高系统性能；（4）利用“并行补偿“等技术，提高混合固态盘的并行性操作。

固态盘广泛应用于存储领域，基于相变存储器（PCM）和Flash的混合固态盘是本项目研究的重点内容；本项目着重研究固态盘的性能优化、PCM写性能优化、基于NVM的混合固态盘性能优化及基于NVM的混合固态盘的存储体系结构及数据分布策略，主要内容包括：.（1）基于细粒度的3D-flash芯片的固态盘算法的研究；为了降低闪存的价格，闪存中每页的可写次数大幅下降，同时闪存的存储密度越来越高，单个闪存页存储容量通常为16KB，由于闪存是以页为读写单位，所以小写操作也将重写整个闪存页，这种小写操作严重影响固态盘的性能和使用寿命。经过测试发现，I/O中小写在所有写操作中所占比例较高通常超过30%。根据以上特点，我们设计了一种“基于细粒度的3D-flash芯片的固态盘映射算法”，通过真实负载测试表明，该算法与DFTL算法相比，平均响应时间和Flash写次数分别减少了13.2%，11.6%。（2）提高PCM写性能的优化；PCM作为非易失存储器，它每位的写次数有限；通过测试发现，现实负载种连续8位都为0的数据佷多，为此，我们设计了一种提高PCM写性能的优化的方案，该方案在Flip-N-Write算法的基础上将64位的数据按8位一组进行分组，如果连续8位都为0，那么选择位设置为“0”，剩下的数据再与Flip-N-Write一样进行翻转写操作。实验测试表明，该算法比Flip-N-Write算法减少了6%左右的写入数据总量，能耗减少了5%。（3）PCM与Flash混合固态盘数据分布的研究；在早期的PCM与Flash混合存储中，PCM通常作为Flash的缓存使用，也就是PCM中的内容在Flash中都有一个副本，应用系统结束时必须将PCM中的脏数据更新至Flash中。随着PCM芯片的发展，PCM的容量已经可以做的很大，这时将PCM作为Flash的缓存这种架构在混合存储应用系统中已经不太适合，为了适应这一变化，我们设计了一种基于PCM的混合存储方案称之为PHSFTL，该方案将PCM与Flash统一编址，通过PCM往Flash的数据迁移率和IO请求大小来自适应的分离冷热数据，将热数据存入PCM，冷数据存入Flash，提高混合固态盘的整体性能。实验结果表明，该算法与DFTL和DRMFTL相比，PHSFTL算法在平均响应时间方面降低了21.7%和14.2%。