多层闪存存储系统可靠性优化研究

As a semiconductor-based nonvolatile memory, NAND flash memory features non-volatility, low power-consumption, fast access time and shock-resistance. Therefore NAND flash memory has been widely used as the storage media in storage field especially test data storage field. MLC (Multi Level Cell) NAND flash devices can cost less and have higher storage density than SLC (Single Level Cell) NAND flash devices. Therefore, MLC flash devices have been widely adopted by the market, and have become the main stream NAND flash storage media. The dramatic improvements in the price and capacity of MLC NAND flash memory have been achieved by technological advances, such as the aggressive shrinking of process geometry and an increase in the number of bits stored in each memory cell. These technological advances inevitably degrade the reliability of MLC NAND flash storage system. .MLC NAND flash normally has three reliability issues: the rising BER (Bit Error Rate), the decrease of the lifetime and the data integrity issue during power loss. This project will optimize the reliability of MLC NAND flash storage system through these three aspects. By building models of BER and energy consuming model, we will design BER-aware data distribution technique, lifetime-aware parallelism method and high reliable backup method. This project will provide new directions for the research and application of MLC NAND flash.

闪存作为一种非易失性存储器件，相对于磁盘存储器具有功耗较低、访问速度更快以及良好的抗震特性等优点，因此在信息存储领域取得了广泛应用。其中，多层闪存由于存储密度为单层闪存数倍，成本较低，已经成为新型的主流闪存存储介质。但是，随着多层闪存存储容量及存储密度增加，基于多层闪存的存储系统可靠性问题日益突出。.多层闪存存储系统可靠性问题主要集中在以下三个方面：错误率升高、使用寿命降低及发生意外掉电时数据丢失问题。本项目拟从这三个方面优化基于多层闪存存储系统可靠性。通过建立多层闪存错误率模型及能耗模型，设计基于错误率感知的数据分布技术、提高使用寿命的并行访问技术及高可靠性的数据备份技术。本项目的研究成果将为基于多层闪存存储系统可靠性研究提供新的思路，为多层闪存应用提供支撑。

相比于传统的机械硬盘，闪存具有低功耗、访问速度快及良好的抗震性的优点。由于单层闪存已无法降低每比特成本来提高存储容量和存储性能，因此在高可靠性存储市场受到了限制。多层闪存的提出与出现，解决了存储容量和性能的问题，但是新的可靠性问题也随之出现，单层闪存到多层闪存结构的转变，除了单层闪存存在的可靠性问题外，由于多层闪存的结构又引入了新的可靠性问题。本项目通过分析多层闪存的结构特点，着重研究其使用寿命降低，错误率升高等成因，并提出解决方法。. 本项目是基础科学研究，多层闪存虽然降低了存储成本和提高存储容量，但也导致了其可靠性的下降。多层闪存可靠性问题主要表现在使用寿命降低、错误率升高的问题这两个问题。这些问题也是目前多层闪存存储系统和高可靠性存储系统领域中重要的前沿课题。本项目从延长使用寿命的角度出发，提出了严格顺序写的方法，对比于基准方案，平均降低了26.65%的擦除开销。从降低错误率的角度出发，提出一种智能迁移的方法，在500次和1000次擦除下，对比基准方案平均减少了8.54%和12.46%错误页数量。为了进一步降低错误率，提出一种渐进式存储方法，该方法通过对多层闪存存储结构特性，通过对数据进行冷热分离，进一步降低了错误率，但会引起部分的时间开销。