[發(fā)明專利]固態(tài)存儲器件內(nèi)的數(shù)據(jù)管理

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080056683.2
• 申請日: 2010-12-16
• 公開（公告）號: CN102656567A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R·D·西德哲揚;E·S·埃萊夫特里烏;R·哈斯;胡曉宇;I·伊利亞迪斯
• 申請（專利權(quán)）人: 國際商業(yè)機器公司
• 主分類號: G06F11/10
• 分類號: G06F11/10
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 于靜;張亞非

本發(fā)明一般地涉及固態(tài)存儲器件（SSD）中的數(shù)據(jù)管理，具體而言，涉及用于控制SSD中的數(shù)據(jù)存儲與擦除程序的方法和裝置。

固態(tài)存儲器是使用電子電路（一般是集成電路（IC））而非常規(guī)磁性或光學(xué)介質(zhì)（例如盤或磁帶）來存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。諸如閃存器件之類的SSD目前正革命性地改變數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域。相較于常規(guī)存儲器件，這些器件因為缺少移動部件而較穩(wěn)定，且與硬盤驅(qū)動器（HDD）相比，這些器件提供更大的帶寬、更節(jié)約的功耗以及更好的隨機I/O（輸入/輸出）性能。

在SSD中，存儲器被組織成存儲區(qū)或“塊”，每個區(qū)皆包含一組可寫入數(shù)據(jù)的存儲位置。以下將參照基于NAND的閃存器件來描述SSD的許多工作特性。然而，將理解，類似原理亦適用于其它類型的SSD。例如，閃存被組織成許多包含數(shù)據(jù)寫入位置的存儲塊（稱為“頁”）。典型閃存頁的大小是4kB，且典型閃存塊包括64個閃存頁（因此為256kB）。讀取與寫入操作逐頁執(zhí)行，而擦除操作僅可以逐塊執(zhí)行。僅可在成功擦除閃存塊后才能寫入數(shù)據(jù)。自閃存單元將一個頁讀到閃存裸片中的數(shù)據(jù)緩沖器一般需要15到25微秒。將一個頁寫入閃存單元需要約200微秒，而擦除閃存塊正常需要約2毫秒。由于擦除一個塊所需的時間比讀取或?qū)懭胍粋€頁的時間長得多，因此將使用稱為“寫入非到位（write?out?of?place）”的寫入方案來改進寫入吞吐量與延遲。使用此方案時，不會在閃存存儲器中在原位置更新已存儲的數(shù)據(jù)頁，而是將更新后的頁寫入另一個可用閃存頁，并在存儲為每個頁的一部分的元數(shù)據(jù)中，設(shè)置一個有效性標志，以將關(guān)聯(lián)的舊閃存頁標記為無效。

寫入非到位方案以及其它閃存存儲特征需要執(zhí)行某些“清掃”操作以用于閃存存儲器的內(nèi)部管理。例如，在更新頁并使舊頁無效時，需要后續(xù)過程以消除無效數(shù)據(jù)，并釋放存儲位置給新輸入數(shù)據(jù)。此內(nèi)部管理過程一般稱為“垃圾收集（garbage?collection）”。垃圾收集過程包括選擇已使用的閃存塊，以及自該塊恢復(fù)所有仍有效的數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)頁被復(fù)制到閃存存儲器中的另一個位置，接著擦除該塊。垃圾收集通常根據(jù)塊所包含的無效頁的數(shù)量來選擇這些塊。然而，垃圾收集與塊擦除亦可作為其它內(nèi)部管理過程的一部分執(zhí)行，這些過程包括在固態(tài)存儲器內(nèi)移動數(shù)據(jù)。此類內(nèi)部管理過程的一個實例是耗損均衡（wear-leveling）。此過程解決閃存的耗損特性。具體而言，在其存儲完整性開始降低前，閃存具有有限數(shù)量的寫入-擦除循環(huán)。耗損均衡程序旨在在所有可用閃存塊間平均分布寫入-擦除循環(huán)，以避免不平均的耗損，進而延長整體壽命。具體而言，耗損均衡功能根據(jù)寫入-擦除循環(huán)計數(shù)，掌管選擇新數(shù)據(jù)應(yīng)寫入的塊，以及在閃存內(nèi)移動已存儲的數(shù)據(jù)，以釋放具有較低循環(huán)計數(shù)的塊，并平均耗損。

數(shù)據(jù)放置與內(nèi)部管理操作一般由閃存存儲器附帶的專用控制裝置（稱為閃存控制器）執(zhí)行。閃存控制器在總體上管理閃存內(nèi)的數(shù)據(jù)、控制所有內(nèi)部管理操作、以及在控制器存儲器內(nèi)維護地址元數(shù)據(jù)，以追蹤閃存存儲器中數(shù)據(jù)的位置。具體而言，閃存控制器運行中間軟件層（稱為“LBA-PBA（邏輯塊地址-物理塊地址）”映射）（亦稱為“閃存解譯層（FTL）”或“LPN-FPN（邏輯頁碼-閃存頁碼）地址映射”）。此層以地址映射的方式維護元數(shù)據(jù)，所述地址映射將與來自上層（例如存儲系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)或主機）的輸入數(shù)據(jù)塊關(guān)聯(lián)的邏輯地址映射到閃存上的物理地址（閃存頁碼）。此軟件層隱藏閃存擦除前寫入的復(fù)雜性，并支持透明的數(shù)據(jù)寫入與更新而無需擦除操作的介入。