[發明專利]一種基于HBM緩存的SSD固態盤

在審

• 申請號: 202111020601.5
• 申請日: 2021-09-01
• 公開（公告）號: CN113760796A
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 李瑞東;郭鵬
• 申請（專利權）人: 山東華芯半導體有限公司
• 主分類號: G06F13/16
• 分類號: G06F13/16;G06F13/42;G06F12/02
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 趙玉鳳

本發明涉及一種基于HBM緩存的SSD固態盤，包括基于HBM和DRAM混合緩存的SSD固態盤和基于HBM緩存的SSD固態盤兩種方式，基于HBM和DRAM混合緩存的SSD固態盤混合使用HBM和DRAM作為緩存，DRAM存儲FTL映射表，HBM提供緩存功能。基于HBM緩存的SSD固態盤使用HBM替代DRAM，HBM具有緩存數據和存儲FTL映射表的功能。本發明在處理寫放大、垃圾回收過程中保障了讀寫帶寬恒定、降低了讀寫時延，較大程度的保證高并發、多路視頻數據存取的效率。

技術領域

本發明涉及固態存儲領域，具體是一種基于HBM緩存的SSD固態盤。

背景技術

SSD固態盤主要部件包括主控芯片、閃存顆粒、緩存芯片、PCB等。其中，主控芯片控制并管理著所有的閃存顆粒的空間，并決定著數據在閃存顆粒上的具體分布位置。閃存顆粒，提供實際的存儲空間，用于存儲實際的應用數據。PCB是SSD固態盤的底座，所有芯片以及相關的電子元器件焊接在上面，是固態盤的基礎。緩存芯片，在SSD固態盤中是一個特殊的存在，其主要作用是用于存儲FTL地址映射表，表示閃存顆粒中單元空間的物理地址與文件系統邏輯地址之間的對應（映射）關系，將主機可以識別的存儲空間邏輯地址逐一映射到實際的閃存顆粒的物理地址。

緩存芯片是高配置SSD的必配元器件，低配置SSD為了節省成本去除了緩存芯片。在采用緩存芯片的SSD固態盤中，會把FTL映射表完整地放入DRAM緩存中，并按照閃存顆粒存儲空間和DRAM緩存容量1GB:1MB的比例配置DRAM緩存容量，有了DRAM緩存的幫助，在持續的數據讀寫過程中，固態硬盤的存取性能夠保持在一個恒定的水平。只有在數據持續存取過程中恒定讀寫性能不敏感的應用中，SSD固態盤會把FTL映射表直接寫入閃存顆粒，這就可以去除DRAM緩存芯片，這種方式降低了整盤性能，同時也節省成本。這種配置DRAM和不配置DRAM的SSD固態盤，滿足了當前大部分的新型應用和傳統應用。

隨著AI和大規模視頻數據的興起，視頻數據處理和存儲的需求也呈現爆發式增長，在新型數據中心中，待處理的視頻數據達到了幾千~幾十萬路，這就推動了視頻數據新型處理方式的出現，要求單一計算節點突破傳統幾十路視頻處理能力，達到數百路處理水平。在數百路的視頻處理應用中，傳統HDD無法滿足存儲帶寬要求；新型NVMe SSD存儲帶寬達到要求，但是持續的高頻率并發訪問過程中時延也是性能的挑戰；同時視頻數據的持續寫入和讀取，使得SSD固態盤持續處于工作狀態，沒有足夠的“空閑時間”處理自身的寫放大和垃圾回收問題，最終導致存儲性能的下降，使得視頻數據出現丟幀。

針對SSD讀寫性能下降的問題，行業內通常的應對措施是在算法、固件層面進行優化，如4K對齊、Trim命令、磨損均衡等機制降低寫放大。但是這種方式也都屬于降低寫放大和垃圾回收方案，只能減小SSD性能的下降幅度，不能大幅度提升SSD的數據存取能力、特別是無法降低讀寫時延。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供一種基于HBM緩存的SSD固態盤，在處理寫放大、垃圾回收過程中保障了讀寫帶寬恒定、降低了讀寫時延，較大程度的保證高并發、多路視頻數據存取的效率。

為了解決所述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于HBM緩存的SSD固態盤，包括SSD控制器、DRAM緩存控制器、HBM緩存控制器、NAND控制器、DRAM緩存介質、HBM緩存介質和NAND Flash，SSD控制器包括依次相連的PCIe主機接口、NVME協議控制器和FTL映射管理器，DRAM緩存控制器、HBM緩存控制器、NAND控制器分別與FTL映射管理器相連，DRAM緩存介質與DRAM緩存控制器相連，HBM緩存介質與HBM緩存控制器相連，NAND Flash與NAND控制器相連；

PCIe主機接口用于SSD固態盤與計算節點的應用進行數據傳輸；

NVME協議控制器用于在計算節點和SSD固態盤之間處理NVME存儲協議；

FTL映射管理器負責維護邏輯塊地址到閃存介質物理塊地址的映射關系；