[发明专利]一种大容量固态盘内地址映射方法

说明书

本发明公开了一种大容量固态盘内地址映射方法，通过降低单个映射条目RAM开销的方法提高映射缓存命中率，以此提高大容量固态盘的性能。固态盘容量的急速增长，导致内置RAM不足以存储整个映射表，引发大量映射条目替换，降低系统的性能。不同于以往通过优化映射缓存算法提高缓存命中率的方法，本发明利用一种晶圆级均衡的数据布局，增加用户数据对应物理位置的相似性，以此减少单个映射条目需要的内存开销。在有限RAM空间下，提升映射缓存中可缓存的条目数目，有效减少由于映射缓存替换带来的写放大和读放大问题，极大提高了大容量固态盘性能。

技术领域

本发明属于存储技术领域，具体涉及一种大容量固态盘内地址映射算法。

背景技术

相比于传统磁盘而言，基于NAND闪存的固态盘(下文简称固态盘)因为高性能，低能耗和高可靠性的优点，近些年占据了大量的存储份额。然而，NAND闪存具有写前擦除和不对称操作的特性，这些特性让固态盘无法直接替代传统磁盘。具体来说，NAND闪存在写前必须经历擦除操作，然而，擦除操作的延迟通常比编程操作高一个数量级。为了解决这个问题，异地更新(out-of-place update)技术被应用来提高系统性能。具体来说，当一个用户数据被更新时，不同于以往将用户数据所在的闪存块擦除之后再将用户数据更新到原本位置的方法，而是选择一个空闲的闪存页来存储当前的用户数据。为了索引用户数据在固态盘内的位置，必须建立从逻辑地址到物理地址的映射关系，这个技术被称为地址映射。

物理地址的构成与固态盘中闪存存储器的组织结构有关。如图1所示，固态盘是一个复杂的电子存储器件，内部装备有多级的并行结构。具体来说，固态盘内的存储器件包括通道-芯片-晶圆-分组等四个存储层次。为了充分利用固态盘的并行性，固态盘制造商通常将所有分组的同一偏移地址的闪存块组成超级块(superblock)进行闪存块的管理。同一个超级块内相同偏移地址的闪存页构成一个超级页。控制器分配一个超级页大小的RAM缓存请求数据，当这个数据缓存区被填充满而无法再缓存用户数据时，控制器一次性下发所有的用户数据到不同的并行单元，让闪存器件一次性编程(program)一个超级块大小的用户数据。而且来自于同一个超级块的闪存块可以并发的进行擦除，有效降低系统的擦除时间。而物理地址的构成包含了相应的地址域：通道地址域-芯片地址域-晶圆地址域-分组地址域-块地址域-闪存页地址域，如图2所示。

为了支持更快的地址映射，固态盘制造商通常采用盘内RAM存储热点映射条目。然而，随着闪存工业制程的发展以及3D堆叠技术的发展，固态盘的容量大幅增加(现在的固态盘容量可达100TB，以后更甚)。然而，由于可靠性、尺寸、价格以及可靠性的考虑，盘内RAM容量无法随着固态盘容量呈现等比例增长。因此固态盘内嵌的RAM无法缓存整个映射表。为了实现地址映射功能，控制器将整个映射表持久化到闪存中，只将部分热点映射条目缓存在RAM中。然而，在随机负载或者应用访问范围广泛时，会带来大量的映射条目的替换。对于替换的脏条目(相应的映射关系已经被修改的条目)，控制器会花费一次额外的闪存读和一次闪存写实现映射表持久化的完整性。

现有的工作旨在利用负载访问的访问特性(访问的时间局部性和空间局部性)优化映射缓存算法，在有限RAM条件下，缓存热点映射条目，增大映射管理的粒度或者预取映射缓存数据，从而提高缓存命中率，减少映射条目替换的次数，提高系统的性能。

发明内容

不同于现有方案中利用高效数据缓存方法提升缓存命中率，本发明设计了一种大容量固态盘内地址映射算法，通过一种晶圆级(die)数据均衡分布策略，增加用户数据对应在闪存中物理地址的相似性，进而无需记录相同的地址域的方法，减少单个映射条目的RAM开销(如图3所示)，从而在RAM资源有限的前提下，增加缓存映射的条目的数据，提高系统的缓存命中率，从而减少映射条目替换的次数，提升系统性能。采用的具体技术方案如下：

一种大容量固态盘内地址映射方法，包括以下步骤：