[发明专利]一种混合存储系统

说明书

技术领域

本发明属于计算机存储领域，具体涉及一种混合存储系统。

背景技术

存储系统是计算机系统的一个重要组成部分。近几十年，计算机硬件技术的各个领域都在高速发展，处理器性能和内存容量都提升了近千倍，而存储器也不断地提高速度和容量，但是由于传统机械硬盘的自身局限性，使得硬盘的读写速度提升难度越来越大，存储系统的瓶颈愈显突出。

闪存(FLASH Memory)是一种电可擦除的非易失性半导体存储器，尤其与非型闪存(NAND FLASH)具有存储密度大、功耗低以及抗震性能好等优点，所以基于闪存的固态存储器(Solid State Drive，SSD)应运而生，SSD恰好弥补了机械硬盘的诸多不足，能够提供高速度、低功耗以及抗震耐摔等优良特性，是解决目前存储领域发展难题的方案之一。

然而，目前SSD有三大制约因素：(1)由于闪存介质是通过对浮栅中注入或擦除电荷来存储信息，这种反复的注入和擦除电荷的操作会使其工作变得不稳定，

从而使得擦除一定次数后无法继续用来存储数据。随着多层存储单元(Multi-Level Cell，MLC)的应用以及制程的降低，虽然闪存成本逐渐下降，但闪存存储单元容许的擦除次数不断降低，目前25nm工艺的MLC闪存的擦除次数只有3000次，这意味着闪存的使用寿命十分有限。(2)由于闪存具有页读写、块擦除，先擦除后写的特性，所以闪存的读写速度并不一致，让基于闪存的固态存储器在一些应用中性能并不理想。(3)目前闪存芯片比机械硬盘的存储单位价格要高出约一个数量级，由于闪存的特性，为了在其成本与可靠性上进行平衡并以不损失速度为代价，SSD需要更完善的控制器。控制器成本已经占SSD成本的30％以上。

随着时间推移，固态存储系统并不局限于闪存作为存储介质，也可采用相变随机存储器(PCM)等其他非易失性存储介质。PCM利用硫族化合物在不同相态下电阻率不同来存储数据，能够按位寻址，读写速率比闪存快两个数量级。这类半导体存储器没有NAND FLASH的不足，并且读写速率更高，然而由于目前工艺问题，PCM的位存储成本比闪存更高。

现场可编程门阵列(FPGA)作为一种专用集成电路(ASIC)领域的一种半定制电路，具有设计周期短、开发费用低、风险小等优势，并且内部有丰富的逻辑资源，可以通过编写硬件描述语言综合各种硬件功能器件。特别是基于静态随机存储器(SRAM)编程技术的FPGA，其内部全部或部分逻辑资源可以实现动态的功能变换，所谓可重构技术，能够很好的节省FPGA内部逻辑资源空间，减少能耗，同时降低产品成本。

随着各类半导体存储器件的发展，存储架构将会发展为采用各类半导体存储器构成的固态存储系统与传统硬盘混合使用的混合存储系统。现有混合存储系统采用SSD与磁盘混合使用，SSD用于作为磁盘的缓存，见“混合存储系统将推动固态硬盘应用”，《电脑迷》，2010.11；惠普公司将全闪存阵列服务器与SAS硬盘服务器在软件层进行融合，达到高性能、高容量的分层存储，见《中国金融电脑》，2012.5。它们均需要多个控制器进行处理，且控制器对于写入数据控制不合理，不能发挥SSD的优势，在磁盘或者SSD失效时，替换成本高，存储系统的升级和功耗成本会非常不理想。PCM加入存储系统以后，异构存储介质的控制变得非常复杂，而混合存储系统失效后的替换成本居高不下，因此，市场未没有出现使用PCM等新型存储介质的混合存储产品。市场急需一种高性能、低成本的混合存储系统。

为便于理解本发明，以下对有关概念进行解释：

闪存的层次：闪存由六个层次组成：通道(Channel)、闪存芯片(chip)、晶圆(die)、分组(plane)、块(block)、页(page)；为了提升闪存的速度与容量，通常将多个闪存芯片构成一个通道(Channel)，一个或多个通道构成闪存。

闪存芯片结构如图7所示，每个闪存芯片内部有多个晶圆，每个晶圆内部有多个分组，每个分组内部有多个块，每个块内部有多个页。

RAID0：RAID0又称为Stripe或Striping，它代表了所有RAID级别中最高的存储性能。RAID0提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取，这样，系统有数据请求就可以被多个磁盘并行的执行，每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求。RAID0没有冗余或错误修复能力，成本低，要求至少两个磁盘，一般只是在那些对数据安全性要求不高的情况下才被使用。