一种提高固态硬盘随机写性能cache策略-cache strategy for improving random write performance of solid state disk.docxVIP

1绪论1.1固态硬盘研究现状如果从最早研发开始计算，固态硬盘（SolidStateDisk，简称SSD）[1]的发展已经有20多年的历史，固态硬盘在早期的大部分时间里，主要用在军用嵌入系统中，或者高性能计算的研究实验室中。随着科技的进步，如今固态存储技术已成为一个民用标准，三星、SanDisk、威刚等国际存储大厂分别发布了自己的相关产品。本节将从学术和工业领域两个方面，描述固态硬盘的发展现状。（1）学术领域目前比较主流的SSD是基于Flash的NANDSSD，由NANDFlash、SSD控制器[2]和一块作为控制器内存使用的DRAM组成。在SSD中，地址映射、垃圾回收、磨损均衡、坏块管理、纠错编码（ECC）等都是由SSD控制器的Flash转换层（Flashtranslationlayer，简称FTL）来执行。SSD的性能不仅与Flash芯片的硬件结构有关，而且在很大程度上也会受SSD控制器算法的影响。因此，在优化Flash芯片的硬件结构的同时，许多研究的对象也集中在SSD控制器的算法设计上。基于Flash的SSD由Flash芯片构成，数据的读出和写入是纯电子化的操作，SSD内部没有传统硬盘的机械设备，这大大提升了SSD的读写速度。单纯就单元读写速度而言，SSD比传统机械硬盘快6个数量级[3]。然而，目前在桌面存储领域，传统机械硬盘仍然占很大比重，其原因也是由于SSD的内部结构导致的读写不均衡。SSD的擦除操作的单位是块，而读写的基本单位是页，从原理上说，擦除操作不能只改写一部分数据，因此，当块中的某些页需要改写时，在擦除该数据块之前，必须将数据块中的其他有效数据移动到空闲的块中，这种操作可称为存储块间的数据复制。在有大量的数据读出和数据写入混合处理时，SSD的性能不如传统机械硬盘的原因正在于此。对于SSD来说，存储块间的数据复制是一个重要的研究课题。因为，今后SSD的应用场合将更加宽泛，执行存储块复制的频率将会大大增加。另外还有一个原因，现在SSD的单页容量和单块容量越来越大，于是，存储块复制发生的频率也会增加。为了解决此类问题，除了各大器件厂商在硬件上的研究外，利用高速缓存来减少擦除次数的方案也被提出，相关算法也各有所长，从某种程度上说，这也从另外一个层面解决了该问题。由于Flash存在写入次数的限制，因此如何最大化的延长SSD的寿命也成了一大课题。Flash的写入次数限制是由其硬件介质决定的，在介质不变的情况下，只能从控制算法上着手解决该问题。为了最大化SSD的寿命，就要将SSD内的所有存储单元都均衡地进行擦写操作，称之为磨损均衡。磨损均衡算法的主要思想是监视各个存储单元的擦写次数，并将数据写入到擦写次数较少的存储块内。磨损均衡的实现方法有动态磨损均衡和静态磨损均衡两种，磨损均衡相关算法的研究是一个很重要的方向。SSD除了在某些性能上要优于传统机械硬盘外，在耗能上也比后者减少很多。目前，NANDFlash的消耗电流低于1.8英寸的机械硬盘，无论是SLC还是MLC，NANDFlash工作时的电流一般在30mA左右，即使四块芯片并行工作，再加上SSD内部控制器和DRAM所消耗的电流，SSD整体消耗电流也在220mA左右，仍低于传统机械硬盘的300mA。但是，为了使SSD在耗能上更低，相关研发工作也一直在进行中。目前SSD涉及到的技术除了前文提到的几点外，还有垃圾回收、坏块管理、并行处理[4-5]等多方面，学术界在各方面都有相应的研究，成果斐然。（2）工业领域由于SSD的应用场合比传统机械硬盘更广泛，因此在形态和性能上也有许多选择。除了标准的IDE和SCSI接口产品，还有许多其他类型的接口，尤其是近些年SSD在应用领域的推广，更大大地丰富了SSD产品种类。在2009年，Kingston正式宣布进入SSD市场，身为世界级存储器器件厂商的Kingston算是比较晚进入SSD市场。以色列M-System公司的DOC（DiskOnChip）是一种使用比较广泛的产品。典型的DOC是DIP封装、类似于芯片的样子，插在工控机上直接使用。除了DOC，M-System公司还有SCSI接口的产品，有2.5/3.5的标准硬盘封装的产品。由于竞争的关系，DOC的小容量产品的价格下降很多，使用更加广泛。SanDisk公司是一家高端Flash厂商，该公司的产品有许多贴在高端工控主板上，以BGA居多，性能比较稳定。台湾的PQI公司，提供各种接口的产品，封装也很丰富。如2.5标准硬盘尺寸的IDE接口产品，PCMCIA、CompactFlash卡和SmartCard产品，还有USB接口的各种PCMCIA、CF卡及IDE接口的PCMCIA等各种驱动器。在国内大陆，有诸如源科创新科技公司、忆正存储技术有限公司[6]等。前者开发出了国内首款基于PCI-E总线的产品，后