[發明專利]一種混合存儲系統

有效

• 申請號: 201310362037.4
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103455283A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 童薇;馮丹;劉景寧;蘇福欽;張建權
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F3/06
• 分類號: G06F3/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 方放

技術領域

本發明屬于計算機存儲領域，具體涉及一種混合存儲系統。

背景技術

存儲系統是計算機系統的一個重要組成部分。近幾十年，計算機硬件技術的各個領域都在高速發展，處理器性能和內存容量都提升了近千倍，而存儲器也不斷地提高速度和容量，但是由于傳統機械硬盤的自身局限性，使得硬盤的讀寫速度提升難度越來越大，存儲系統的瓶頸愈顯突出。

閃存(FLASH?Memory)是一種電可擦除的非易失性半導體存儲器，尤其與非型閃存(NAND?FLASH)具有存儲密度大、功耗低以及抗震性能好等優點，所以基于閃存的固態存儲器(Solid?State?Drive，SSD)應運而生，SSD恰好彌補了機械硬盤的諸多不足，能夠提供高速度、低功耗以及抗震耐摔等優良特性，是解決目前存儲領域發展難題的方案之一。

然而，目前SSD有三大制約因素：(1)由于閃存介質是通過對浮柵中注入或擦除電荷來存儲信息，這種反復的注入和擦除電荷的操作會使其工作變得不穩定，

從而使得擦除一定次數后無法繼續用來存儲數據。隨著多層存儲單元(Multi-Level?Cell，MLC)的應用以及制程的降低，雖然閃存成本逐漸下降，但閃存存儲單元容許的擦除次數不斷降低，目前25nm工藝的MLC閃存的擦除次數只有3000次，這意味著閃存的使用壽命十分有限。(2)由于閃存具有頁讀寫、塊擦除，先擦除后寫的特性，所以閃存的讀寫速度并不一致，讓基于閃存的固態存儲器在一些應用中性能并不理想。(3)目前閃存芯片比機械硬盤的存儲單位價格要高出約一個數量級，由于閃存的特性，為了在其成本與可靠性上進行平衡并以不損失速度為代價，SSD需要更完善的控制器。控制器成本已經占SSD成本的30％以上。

隨著時間推移，固態存儲系統并不局限于閃存作為存儲介質，也可采用相變隨機存儲器(PCM)等其他非易失性存儲介質。PCM利用硫族化合物在不同相態下電阻率不同來存儲數據，能夠按位尋址，讀寫速率比閃存快兩個數量級。這類半導體存儲器沒有NAND?FLASH的不足，并且讀寫速率更高，然而由于目前工藝問題，PCM的位存儲成本比閃存更高。

現場可編程門陣列(FPGA)作為一種專用集成電路(ASIC)領域的一種半定制電路，具有設計周期短、開發費用低、風險小等優勢，并且內部有豐富的邏輯資源，可以通過編寫硬件描述語言綜合各種硬件功能器件。特別是基于靜態隨機存儲器(SRAM)編程技術的FPGA，其內部全部或部分邏輯資源可以實現動態的功能變換，所謂可重構技術，能夠很好的節省FPGA內部邏輯資源空間，減少能耗，同時降低產品成本。

隨著各類半導體存儲器件的發展，存儲架構將會發展為采用各類半導體存儲器構成的固態存儲系統與傳統硬盤混合使用的混合存儲系統。現有混合存儲系統采用SSD與磁盤混合使用，SSD用于作為磁盤的緩存，見“混合存儲系統將推動固態硬盤應用”，《電腦迷》，2010.11；惠普公司將全閃存陣列服務器與SAS硬盤服務器在軟件層進行融合，達到高性能、高容量的分層存儲，見《中國金融電腦》，2012.5。它們均需要多個控制器進行處理，且控制器對于寫入數據控制不合理，不能發揮SSD的優勢，在磁盤或者SSD失效時，替換成本高，存儲系統的升級和功耗成本會非常不理想。PCM加入存儲系統以后，異構存儲介質的控制變得非常復雜，而混合存儲系統失效后的替換成本居高不下，因此，市場未沒有出現使用PCM等新型存儲介質的混合存儲產品。市場急需一種高性能、低成本的混合存儲系統。

為便于理解本發明，以下對有關概念進行解釋：

閃存的層次：閃存由六個層次組成：通道(Channel)、閃存芯片(chip)、晶圓(die)、分組(plane)、塊(block)、頁(page)；為了提升閃存的速度與容量，通常將多個閃存芯片構成一個通道(Channel)，一個或多個通道構成閃存。

閃存芯片結構如圖7所示，每個閃存芯片內部有多個晶圓，每個晶圓內部有多個分組，每個分組內部有多個塊，每個塊內部有多個頁。

RAID0：RAID0又稱為Stripe或Striping，它代表了所有RAID級別中最高的存儲性能。RAID0提高存儲性能的原理是把連續的數據分散到多個磁盤上存取，這樣，系統有數據請求就可以被多個磁盤并行的執行，每個磁盤執行屬于它自己的那部分數據請求。RAID0沒有冗余或錯誤修復能力，成本低，要求至少兩個磁盤，一般只是在那些對數據安全性要求不高的情況下才被使用。