苛刻环境大容量MLC型NAND FLASH转换层新机制与算法

In harsh environment, there is tremendous potential value for large-capacity high-speed storage systems. Due to adverse conditions such as thermal stress、vibration、impact、vacuum、electromagnetic radiation in harsh environment, traditional storage devices which are mechanical and electrical structure and magnetic storage system have been unable to work reliably, Therefore, large-capacity high-speed solid-state storage system have been the core support technology of many applications. In order to overcome MLC NAND Flash's limitations which can only be written sequentially and programmed partially, improve the response speed of the high-capacity solid-state storage systems, this study builds solid-state storage system of multilayer storage unit address mapping model, garbage collection model and the loss of balance model by the establishment of the conversion layer mechanisms and algorithms; According to the double threshold detection and interrupt garbage collection mechanism, we can reduce the effective data page copy operation, ensure system average response time is short, balance each block erasing time as far as possible, extend the lifetime of the chip, work out the problem of the traditional flash translation layer in the MLC NAND Flash unit on the solid-state storage system application failure or inefficient storage system fundamentally and realize the function that storage system gets rapid response ability in smaller memory overhead. Finally, we will evaluate and compare performances of the algorithm and the design mechanism by experiments and theoretical analysis methods.

苛刻环境下大容量高速存储系统蕴藏着巨大的潜在应用价值。由于苛刻环境存在热应力、振动、冲击、真空、电磁辐射等恶劣条件，传统的机电结构存储设备以及磁性存储系统已经无法可靠工作，因此，大容量高速固态存储系统已成为众多应用的核心支撑技术。为了克服多层储存单元型固态存储系统自身只能进行顺序写入和部分编程的局限，提高大容量固态存储系统的响应速度，本研究拟通过建立转换层新机制与算法的方法，构建多层储存单元型固态存储系统地址映射模型、垃圾回收模型、耗损平衡模型；根据双门限检测和可中断垃圾回收机制，减少有效数据页的拷贝操作，确保系统平均响应时间较短，并尽可能的平衡每个数据块的擦除次数，延长芯片的使用寿命，从根本上解决传统闪存转换层在多层储存单元型固态存储系统上应用失效或者效率低下的问题，实现存储系统在较小的内存开销下获得快速响应能力。最后，我们将通过实验和理论分析的手段评价和比较所设计机制与算法的性能。

苛刻环境下大容量高速存储系统蕴藏着巨大的潜在应用价值，为了克服MLC型固态存储系统自身局限，提高大容量固态存储系统的响应速度，本研究课题主要通过建立转换层新机制与算法来解决上述问题。.首先，设计了一款称为BlogFTL的FTL，在BLOG中我们有效的降低了过度的废弃块收集。同时，我们还提出了一个称为reduced-order merge的局部合并操作。以便最大化利用日志模块中的有效页码和降低不必要的擦除操作。实验表明该方法从根本上解决传统闪存转换层在多层储存单元型固态存储系统上应用失效或者效率低下的问题，实现存储系统在较小的内存开销下获得快速响应能力。其次，为了解决NAND FLASH由于局部页面刷新所导致空闲页和频繁垃圾收集的早期损耗，寿命缩短等问题，我们提出了叫FTL2的一种混合FTL方法。在FTL2中同时采用了记录和映射的技术，以解决由于局部页面频繁更新所造成的在FLASH使用过程中出现的耐久度问题和性能退化等问题。实验结果表明，FTL2可以大大减少页面写入，用很小代价推迟垃圾收集工作。第三，提出了一种新的磨损均衡方案，称为DHeating (Dispersed Heating)，来解决FLASH存储器热平衡的问题。在DHeating中，我们能分散擦除，避免由于加热引起的集中电力中断的问题。通过该技术实现了FLASH使用寿命的延长。第四，为了大大减少擦除操作所花费的时间以及降低合并操作中有效页复制的开销，我们提出了新的I/O优化技术，用来确定文件系统的元数据，这种优化技术能够实现在VM图像文件中存储和不断的更新。然后这些数据被存储在一个小的、附加的非易失性存储器中，这样提高闪存的性能同时延长使用寿命。最后，在课题研究过程中，我们还开展了对于新兴的NVMS（非易失性存储器）的相关研究工作。 I/ O开销已经成为基于NAND闪存的存储设备主要的性能瓶颈之一。新型NVMS，诸如PCM（相变存储器）和STT-RAM（自旋转移矩随机存取存储器），可以提供快速的读/写操作。在课题中，我们提出了一个统一的NVM/闪存架构，以提高I/O性能。另外还提出PCM/DRAM的混合主内存架构。该构架充分利用这两个存储器的性能优势,减少能源消耗同时确保应用程序的实时性。.综上所述，本项目除了按原申请书中研究计划圆满完成预定目标外，增加了一些新内容的研究，这些新内容均是本项目内容的扩展。