[发明专利]一种基于非均衡磨损闪存的读性能优化方法

说明书

本发明公开了一种基于非均衡磨损闪存的读性能优化方法，通过实现闪存的差异化磨损并结合数据冷热特征，优化闪存的读性能。在闪存控制器中添加热读数据识别机制、差异化磨损机制和数据迁移机制。通过合理的数据放置方法，形成闪存块之间的差异化磨损。差异化磨损产生的两个区域（高磨损和低磨损区域）体现出不同的可靠性特征。高磨损区域中的数据采用热读识别机制；高磨损区域的热读数据采用可靠性差异感知的迁移机制。结合这两种机制，将热读数据从高磨损区域迁移到低磨损区域，以最大限度地提高热读数据访问的效益。本发明优化了磨损对数据可靠性的不利影响，相对于传统的均衡磨损未进行任何闪存块的可靠性的区分方式，提高了闪存的读性能。

技术领域

本发明涉及闪存性能技术领域，特别是涉及一种基于非均衡磨损闪存的读性能优化方法。

背景技术

NAND闪存在过去几十年中迅速发展，其中闪存堆叠技术的出现使得其存储密度极具上升。随着多位存储技术的发展，每个存储单元中存放的比特数目增加了，从原先的SLC到目前的QLC，其中每个存储单元存放三个比特的TLC闪存已经被广泛使用。堆叠层数从最初的24层发展到目前最高可达170多层。更为重要的是，每个存储单元四个比特的QLC以及每个存储单元五个比特的PLC和每个存储单元六比特的HLC也正在开发之中，并且可以进一步增加层数。由于高密度闪存具有优越的读性能，被广泛用作读密集型场景下的存储设备。但是存在的问题是，闪存的读取延迟也在不断的增加，更为糟糕的是，随着闪存密度的增加，其读延迟将进一步提高。因此，降低高密度闪存的读延迟已经成为一项至关重要的任务。

读取延迟的增加至少来源于两个方面：第一个方面是随着存储单元的磨损，存储单元的可靠性会逐渐下降。闪存常采用LDPC作为ECC纠错码，而采用LDPC纠错的延迟会随着可靠性下降，纠错延迟增加。那么根据块的磨损次数的不同，可以定义块的可靠性程度。根据调查所知，磨损对闪存块造成的损伤是不可恢复的。闪存块的可靠性下降后，LDPC在纠错的时候需要更多次的参考电压比对，因此使得高误码率的数据在被读取的时候所产生的解码延迟进一步增加。对于先前启用LDPC的TLC闪存，不同可靠性的数据的最大访问等待时间差异可以达到22倍。第二个方面是数据的保存时间对数据可靠性带来的影响。根据先前的工作可知，数据在存储单元中保存的时间将会影响数据的可靠性。存储单元中的电子会随着保存时间的增加而泄露，从而影响数据的可靠性。闪存块的可靠性下降后，闪存单元中电子更易溢出，导致原始误码率（RBER）增加，从而使得闪存读延迟恶化。

综上所述，不同可靠性的闪存块之间读取延迟差异之大，是由闪存块承受的编程/擦除次数和保存时间共同导致的，这极大地影响了闪存的性能和可靠性。闪存块的编程/擦除次数决定了保存时间对数据可靠性影响的大小，即闪存块的编程/擦除次数越高（低），保存时间对可靠性的影响越大（小）。显然，将数据存放在编程/擦除次数低的闪存块中可以获取较好的数据可靠性。通过先前的工作和实验发现，SSD所服务的工作负载中普遍存在大部分的读请求集中在一小部分的地址空间中，如果将这些请求所访问的数据迁移到高可靠性的闪存块上，将大大提升性能。

发明内容

为了克服上述技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于非均衡磨损闪存的读性能优化方法。本发明通过分析和识别闪存块的磨损状况，形成高磨损区域和低磨损区域，通过将热读数据放置在可靠性较好的低磨损区域，而将热写数据放置在可靠性较差的高磨损区域。通过动态识别数据的冷热变化，结合数据迁移机制，从而极大地改善了闪存读性能。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于非均衡磨损闪存的读性能优化方法，包括如下步骤：