固态硬盘中基于读干扰的数据映射和数据重组机制研究

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当前,数据存储技术不断发展,固态硬盘越来越多的应用于智能手机、服务器、个人电脑等场景。在固态硬盘的应用量不断增多的今天,各种电路噪声干扰为固态硬盘的使用带来了种种额外负担。在各种干扰之中,读干扰这一现象随着闪存单元密度的不断增高和读密集型应用不断增多,预计将产生越来越严重的不良影响。读干扰的来源是对闪存块中单个页进行读取操作时,所有未被读取的闪存页被频繁施加高额电压,从而导致栅极内电荷异常泄露,进一步导致读取错误率升高,读取时间变长等问题。针对读干扰如何进行软件层面的策略进行优化是目前固态硬盘研究内容的热点。针对该问题,本文展开了基于读干扰的数据映射和数据重组机制研究,主要的研究内容包括以下三个方面。首先,在分析和总结读干扰影响因素的前提下,通过分析文献中提供的数据,利用非线性回归等方法,建立了衡量闪存块读错误率的模型。模型的输入因子是闪存块的编程/擦除次数和读次数,输出的结果为闪存块的读错误率。之后通过公式推导验证了所提模型具有较好的准确性。其次,在建立了衡量闪存块读错误率的模型之后,通过判断闪存块读错误率的高低,将闪存块划分为易受读干扰影响的和不易受读干扰影响的两种。而后对写入的数据请求进行分析,提取出请求中的热读数据,并在热读数据写入时,将其写入到不易受读干扰影响的闪存块中去,并优先写入到LSB(Least Significant Bit)页面中去。不易受读干扰影响的块对编程/擦除操作和读操作都具有更好的适应性,而LSB页在被读取时需要更少频次的参考电压,两者均能进一步降低读干扰的影响。然后,在发现传统的读取刷新擦除分布不均衡的基础上,提出了基于读均衡的数据重组方法,对传统的读取刷新方法进行了优化。所提方法首先利用衡量读错误率模型,在将闪存块划分为易受读干扰影响和不易受读干扰影响的两种,随后在进行读取刷新时,在两种块内部将冷热数据均匀放置,以达到两种块内部读次数均衡的效果。我们也通过公式推导,证明了各个闪存块读次数均衡的情况下,总体的读错误率会是最低的,为基于读均衡的数据重组策略提供了理论支撑。最后,为了验证所提出的优化方案的有效性,本文在SSDSim模拟器上对新提出的改进方案进行了仿真实验。实验结果表明,新提出的改进方案有效的缓解了读干扰带来的读错误率升高,读时间变长,读取刷新次数变多等负面影响,实现了对系统性能的有效改善。
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