CN101369451A - 固态存储器、包含其的计算机系统和操作其的方法 - Google Patents

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Abstract

在一方面中，数据被存储在包含第一和第二存储器层的固态存储器中。执行第一评估以确定所接收数据是热数据还是冷数据。将在所述第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在所述第一存储器层中，以及将在所述第一评估期间被首先评估为冷数据的所接收数据存储在所述第二存储器层中。此外，执行第二评估以确定在所述第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据。将在所述第二评估期间然后被评估为冷数据的数据从所述第一存储器层迁移到所述第二存储器层。

Description

固态存储器、包含其的计算机系统和操作其的方法
技术领域
本发明通常涉及存储器系统，更具体地，本发明涉及一种固态存储器(solid state memory，SSM)、包含SSM的计算机系统、以及操作SSM的方法。SSM的示例包括计算机系统的主存储器和计算机系统的固态驱动器(SSD)。
背景技术
固态驱动器(SSD)是典型地模拟传统硬盘驱动器(HDD)的数据存储设备，因此易于在大部分应用中替代HDD。与HDD的旋转磁盘介质相反，SSD利用固态存储器存储数据。由于没有移动部件，SSD大大消除了与传统HDD相关的搜索时间、延迟时间以及其它机电延迟和故障。
SSD一般由NAND闪存(非易失性)或者SDRAM(易失性)组成。
基于例如SDRAM的易失性存储器的SSD的特征在于快速的数据存取，并且其主要被用以加速否则可能会被磁盘驱动的延迟时间所抑制的应用程序。基于DRAM的SSD的易失性存储器典型地需要包含内部电池和备份磁盘系统以确保数据一致性。如果电源掉电的话，所述电池为将数据从SDRAM拷贝到备份磁盘系统维持足够长时间的供电。一旦供电恢复，数据被从备份磁盘拷贝回SDRAM，此时SSD恢复正常工作。
然而，大多数SSD生产商使用非易失性快闪存储器来制造比基于DRAM的SSD更稳定和小型化的SSD。这些基于快闪存储器的SSD也被称为快闪驱动器，它不需要电池，允许制造商更容易地复制标准硬盘驱动器。另外，非易失性快闪SSD在掉电期间保持存储。
正如本领域所熟知，单级单元(SLC)快闪的每个存储单元可以存储一个比特，而多级单元(MLC)快闪的每个存储单元可以存储两个或更多个比特。这样，为了增加容量，快闪SSD可以利用多级单元(MLC)存储器组。然而，快闪SSD通常遭受相对较低的随机写入速度，并且这个操作缺点进一步加剧了MLC快闪的相对较低的速度。这样，已建议为SSD配备两种类型的快闪存储器媒介——低容量的SLC存储器组和高容量的MLC存储器组。利用这种配置，可以将频繁使用的数据(例如，目录和/或日志信息)存储在更快的SLC组中，而可以将较不频繁使用的数据(例如，音乐文件、图像等)存储在更慢的MLC组中。
发明内容
根据本发明的一个方面，数据被存储在包括第一和第二存储器层的固态存储器中。执行第一评估以确定所接收数据是热数据还是冷数据。将在第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在第一存储器层中，以及将在第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在第二存储器层中。进一步地，执行第二评估以确定在第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据。然后将在第二评估期间被评估为冷数据的数据从第一存储器层迁移到第二存储器层。
根据本发明的另一个方面，一种在固态存储器中存储所接收数据的方法包括：最初将热数据存储在高速存储器层中，然后将高速存储器层中存储的部分数据迁移到用于存储冷数据的低速存储器层中。
根据本发明的另一个方面，一种固态存储器系统包括第一存储器层、第二存储器层和存储控制器。所述存储控制器被配置为：执行关于所接收数据是热数据还是冷数据的第一评估；将在第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在第一存储器层中；以及将在第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在第二存储器层中。所述存储控制器进一步被配置为：执行关于第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据的第二评估；以及将在第二评估期间被评估为冷数据的数据从第一存储器层迁移到第二存储器层。
根据本发明的另一个方面，一种固态存储器系统被配置为可操作地连接到计算机操作系统并且其包括第一和第二存储器层。第一存储器层的运行速度高于第二存储器层的运行速度，并且当固态存储器被连接到计算机操作系统时，对于该计算机操作系统可操作地隐藏第一存储器区域。
根据本发明的另一个方面，一种计算机系统包括处理器和存储器。固态存储器包括高速存储器层和低速存储器层，并且对于所述处理器隐藏高速存储器区域。
附图说明
通过参考附图的以下详细描述，本发明的以上和其它方面和特征将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明实施例的固态驱动器(SSD)的框图；
图2和图3是用于描述在根据本发明实施例的图1的SSD中的非易失性存储媒介的框图；
图4和图5是用于描述在根据本发明实施例的图1的SSD中耦接非易失性存储介质与接口的替换方法的框图；
图6到图8是用于描述在根据本发明实施例的图1的SSD中将数据分配给非易失性存储媒介的区域的方法的流程图；
图9是根据本发明实施例的包括SSD的计算机系统的框图；以及
图10和图11是根据本发明实施例的主存储器的框图。
具体实施方式
现在将通过本发明优选(但不限于此)的实施例来描述本发明。这里强调，本发明并不受限于下面描述的示范性实施例，并且本发明的范围由所附权利要求书来界定。
图1是根据本发明实施例的固态驱动器(SSD)1000的框图。如图所示，本示例的SSD 1000包括SSD控制器1200和非易失性存储介质1400。
SSD控制器1200包括：第一和第二接口1210和1230、控制器1220和存储器1240。
第一接口1210充当与例如主机中央处理单元(CPU)(未示出)的主机设备的数据I/O接口。第一接口1210的非限定示例包括通用串行总线(USB)接口、高级技术配件(ATA)接口、串行ATA(SATA)接口、小型计算机系统接口(SCSI)。
第二接口1230充当与非易失性存储媒介1400的数据I/O接口。具体地，利用第二接口1230来向非易失性存储介质1400发送/从非易失性存储介质1400接收各种命令、地址和数据。对于本领域技术人员来说明显的是，第二接口1230可以有各种不同的结构和配置，因此这里为了简便起见省略了对其的详细描述。
控制器1220和存储器1240被可操作地连接在第一接口1210和第二接口1230之间，并一起用于控制/管理主机设备(未示出)和非易失性存储媒介1400之间的数据流动。存储器1240可以是例如DRAM类型的存储设备，控制器1220可以例如包括中央处理单元(CPU)、直接存储器存取(DMA)控制器和纠错控制(error correction control，ECC)引擎。在通过引用而被合并于此的共同受让的美国专利公告2006-0152981中可以找到控制器功能的示例。本领域技术人员应当理解，控制器1220(和存储器1240)通常执行在主机设备(未示出)和SSD存储器组之间传递数据的操作，因此这里为简便起见省略了对其的详细描述。此外，在这里后面所给出的操作描述主要集中于涉及本发明各种实施例的发明方面。
仍然参考图1，本示例的非易失性存储介质1400包括高速非易失性存储器(NVM)1410和低速非易失性存储器(NVM)1420。正如它们的名字所表明的，高速NVM 1410可以以当与低速NVM 1420相比而言相对更高的速度(例如，随机写入速度)来运行。
在示范性实施例中，高速NVM 1410为单级单元(SLC)快闪存储器，而低速NVM 1420为多级单元(MLC)快闪存储器。然而，在这方面本发明并不限于此。例如，高速NVM 1410可以替换为包括相变随机存取存储器(PRAM)，或者包括其中只利用每个单元一个比特的MLC快闪存储器。此外，高速NVM 1410和低速NVM 1420可以由相同类型的存储器(例如，SLC、MLC或PRAM)组成，其中，通过高速NVM 1410中的细粒度(fine-grain)映射和低速NVM 1420中的粗粒度(coarse-grain)映射来区分运行速度。
一般来说，利用高速NVM 1410来存储频繁存取(写入)的数据(例如，元数据)，利用低速NVM 1420来存储较不频繁存取(写入)的数据(例如，媒体数据)。换句话说，如后面所讨论的，高速NVM 1410中的数据的写入频率从统计意义上高于低速NVM 1420中的数据的写入频率。此外，由于所存储的各个数据的特性，低速NVM 1420的存储容量一般要大大高于高速NVM 1410的存储容量。
在示范性实施例中，高速NVM 1410对于与SSD相连的外部操作系统来说是隐藏的。图2和图3中说明了实施例的这个方面。
共同地参考图2和图3，本实施例的示例的高速NVM 1410是隐藏区域，即，外部操作系统(OS)不能看到(直接寻址)高速NVM 1410。更恰当地，相对于OS方面而示出的地址空间仅仅是低速NVM 1420。另一方面，相对于快闪翻译层(Flash Translation Layer，FTL)所示出的地址空间是高速NVM1410和低速NVM 1420二者。FTL将OS所提供的地址翻译为非易失性存储媒介1400的物理地址(即，高速NVM 1410和低速NVM 1420内的物理地址)。
转向图4和图5的框图，可以有很多种不同的方法来通过接口1230将高速NVM 1410和低速NVM 1420可操作地连接到控制器1220(图1)。在图4的示例中，高速NVM 1410和低速NVM 1420使用公共接口通道(channel)通过接口1230来通信。在图5的示例中，高速NVM 1410和低速NVM 1420使用分离的接口通道通过接口1230来通信。
然而，也注意到，高速NVM 1410和低速NVM 1420不必由不同类型的存储器组成。也就是说，可以将单一类型的存储器可操作地分隔为高速层和低速层。例如，两层中的粒度映射可以不同，或者两层中每个单元所利用的比特数可以不同。此外，可以在芯片级别(例如，包含在不同的存储器芯片中)或者在同一存储器芯片内部(例如，包含在同一存储器芯片的存储单元的不同存储器块或组中)分隔高速存储器层和低速存储器层。
下面给出对根据本发明实施例的SSD的操作描述。
根据其中在SSD中存储数据的本发明实施例，执行第一评估以确定所接收数据是热数据还是冷数据。正如本领域技术人员所理解的，“热”数据是技术术语，其表示频繁写入或更新(需要写入存取)的数据，例如目录信息和/或日志信息。“冷”数据是所有其他数据，即，较不频繁写入或更新的数据，例如图像文件、声音文件、程序代码等。冷数据可以被一次或偶尔地写入，但是被频繁地读取。因此，是由写入访问的频率来区分热数据和冷数据。
将在第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在高速NVM 1410中，而将在第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在低速NVM1420中。
然后，执行第二评估以确定在高速NVM 1410中存储的数据是热数据还是冷数据。换句话说，重新评估高速NVM 1410中存储的数据以确定所述数据是否应当被重新归类为冷数据。将此后在第二评估期间被评估为冷数据的数据从高速NVM 1410迁移(migrate)到低速NVM 1420中。
通过将最初被确定为热数据的数据周期性地从高速NVM 1410迁移到低速NVM 1420，可以减小高速NVM 1410的大小。这可以潜在地导致节省成本，并且增加SSD的总存储容量(例如，通过对于高容量MLC层允许更多的空间)。
例如，当高速NVM 1410的未使用容量小于预设值时，可以通过编程来进行所述第二评估以及迁移数据到低速NVM 1420。可替换地，例如，可以以给定的周期间隔或者当SSD为空闲时，编程来进行所述第二评估以及迁移数据到低速NVM 1420。空闲状态的示例可以包括其中没有从主机接收到读取/写入请求的时段，或者当读取/写入请求的激活率(activation ratio)或强度小于阈值时。
图6是用于描述在根据本发明实施例的SSD中的第一评估和数据存储(写入)的流程图。
最初，在步骤100，接收写入命令、地址和数据。然后，在步骤110，确定是否将所接收数据归类为热数据。如果将所接收数据归类为热数据，则在步骤120将所接收数据存储在高速NVM 1410中。另一方面，如果所接收数据没有被归类为热数据，则在步骤130将所接收数据存储在低速NVM1420中。
应当注意，在步骤130被存储在低速NVM 1420中的数据可以首先经过高速NVM 1410。换句话说，可以首先将数据暂时地(临时地)存储在高速NVM 1410中，然后将其存储在低速NVM中。在这种情况下，高速NVM 1410基本充当低速NVM 1420的存储缓冲器。
图7是用于描述在根据本发明另一个实施例的SSD中的第一评估和数据存储(写入)的流程图。
最初，在步骤300，接收写入命令、地址和数据。然后，在步骤310a到310e，确定是否将所接收数据归类为热数据。如果将所接收数据归类为热数据，并且如果在高速NVM 1410中有足够的可利用空间(步骤320)，则在步骤340将所接收数据存储在高速NVM 1410中。另一方面，如果所接收数据没有被归类为热数据，或者如果在高速NVM 1410中没有足够的可利用空间，则在步骤330将所接收数据存储在低速NVM 1420中。
存在许多不同的方法可以将所接收数据归类为热数据，并且图7的步骤330a到330e代表可以在所述分类中使用的决定过程的未穷尽列表。根据在所接收数据的第一评估中所希望的精确级别，可以单独地使用或者组合两个或多个地使用这些步骤。
在步骤310a，确定操作系统(OS)是否已经提供了所述数据是热数据的信息。如果是，则将所述数据归类为热数据，并且所述处理前进到步骤320。
在步骤310b，确定逻辑块地址的写入计数是否已经超过了预设阈值，如果是，则将所述数据归类为热数据，并且所述处理前进到步骤320。
在步骤310c，确定所述数据的请求大小是否小于预设阈值(例如，小于32KB)。如果是，则将所述数据归类为热数据，并且所述处理前进到步骤320。
在步骤310d，确定相对于先前接收的命令是否存在非连续的地址增量。如果是，则将所述数据归类为热数据，并且所述处理前进到步骤320。
在步骤310e，确定在低速NVM中是否可能引起合并(merge)操作，如果是，则将所述数据归类为热数据，并且所述处理前进到步骤320。
虽然图7中没有示出，但是在高速NVM没有足够空间的情况下(步骤320)，另一种方法是通过将高速NVM中已经存储的冷数据迁移到低速NVM中来创建可利用空间，然后存储新的热数据到高速NVM中。
此外，参考图6和图7的上述过程，注意到本发明实施例并不限于在高速和低速NVM中分别存储所有的热数据和冷数据。例如，可以将最初被评估为冷数据的一些数据存储在高速NVM中。此外，尽管不是太优选的，但是可以将最初被评估为热数据的一些数据存储在低速NVM中。
图8是用于描述在根据本发明实施例的SSD中的第二评估和迁移数据到低速NVM的示例的流程图。
最初，在步骤410，确定高速NVM的未使用存储容量是否小于预设阈值。正如前面所建议的，可以用其中以周期间隔来执行步骤410(或者下面的步骤420)的周期执行步骤来补充(或替代)这一步骤，和/或用其中以周期间隔来执行步骤410(或步骤420)的SSD空闲确定步骤来补充此步骤。
接下来，在步骤420，确定在高速NVM中存储的数据是否是热数据，即，确定是否可以将所述数据重新归类为冷数据。
然后，在步骤430，将高速NVM中存储的被重新归类的冷数据迁移到低速NVM中。
可以有许多不同的方法来执行步骤420的确定。例如，可以检查高速NVM中每个有效数据的写入计数值，然后将具有较低写入计数的数据重新归类为冷数据。或者，可以执行其中将旧(首先到达)的有效数据重新归类为冷数据的FIFO型评估。
参考图8的上述过程，注意到本发明实施例并不限定于迁移所有的冷数据到低速NVM。例如，可以将被评估为冷数据的一些数据保留在高速NVM中。
图9是根据本发明实施例的计算机系统的框图。如图中所示，处理器(主机)2100和主存储器2200通过数据总线2001进行通信。此外，输出设备2500(例如，显示器)、输入设备2300(例如，键盘)、其它I/O设备2400和固态驱动器SSD也连接到总线2001。根据一个或多个先前描述的本发明实施例来配置该固态驱动器。
主要在固态驱动器(SSD)的背景中描述了本发明的实施例。然而，本发明并不限于SSD应用。例如，图10示出了其中由高速存储器层和低速存储器层构成图9中所示的计算机系统的主存储器2200的实施例。在图10中，高速存储器层1510包括DRAM单元并且可以是相对于图9的处理器2100的隐藏区域。图10的低速存储器层1520包括快闪单元(SLC或MLC)并且相对于图9的处理器2100可以是开放的。图11示出了主存储器2200的另一个示例。如图所示，高速存储器层1610包括DRAM单元并且可以是相对于图9的处理器2100的隐藏区域，而低速存储器层1620包括相变随机存取存储器(PRAM)单元并且相对于图9的处理器2100可以是开放的。
应当将上述所公开的主题看作是说明性的而非限制性的，并且所附权利要求书意欲涵盖落入本发明的真实精神和范围之内的所有这样修改、改进和其它实施例。因此，为了法律所允许的最大延伸，由以下权利要求书及其等价物的最宽广的可允许的解释来确定本发明的范围，而不应用被前面的详细描述所限制或限定。
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年8月8日提出的韩国专利申请No.2007-0081832的优先权，其全部内容通过参考而被合并于此。

Claims (32)

1.一种在包含第一和第二存储器层的固态存储器中存储数据的方法，所述方法包括：
执行关于所接收数据是热数据还是冷数据的第一评估；
将在所述第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在所述第一存储器层中；
将在所述第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在所述第二存储器层中；
执行关于在所述第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据的第二评估；以及
将在所述第二评估期间被评估为冷数据的数据从所述第一存储器层迁移到所述第二存储器层。
2.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一存储器层的运行速度高于所述第二存储器层的运行速度。
3.如权利要求2中所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层分别包含不同类型的存储单元。
4.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一存储器层包含单级快闪存储单元，而所述第二存储器层包含多级快闪存储单元。
5.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层包含多级快闪存储单元，并且其中数据仅仅被存储在所述第一存储器层的多级快闪存储单元的最低有效位中。
6.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层包含相同类型的存储单元。
7.如权利要求6中所述的方法，其中，所述第一存储器层的映射粒度比所述第二存储器层的映射粒度更精细。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层包含单级快闪存储单元。
9.如权利要求7中所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层包含多级快闪存储单元。
10.如权利要求1中所述的方法，其中，在所述第一评估期间首先被评估为冷数据的数据被存储于第二存储器层之前，将其暂时地存储于所述第一存储器层中。
11.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第二评估进一步包括确定所述第一存储器层的未使用存储器容量是否小于阈值。
12.如权利要求1中所述的方法，其中，以周期间隔或者当所述固态存储器进入空闲状态时执行所述第二评估。
13.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层被包含在所述固态存储器中。
14.如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一和第二存储器层被包含在计算机系统的主存储器中。
15.一种在固态存储器中存储所接收数据的方法，包括：最初将热数据存储在高速存储器层中；以及将存储在所述高速存储器层中的部分数据迁移到用于存储冷数据的低速存储器层中。
16.如权利要求15中所述的方法，其中，所述高速和低速存储器层包括各自不同类型的存储单元。
17.如权利要求15中所述的方法，其中，所述高速和低速存储器层包括相同类型的存储单元。
18.一种固态存储器系统，包括：
第一存储器层；
第二存储器层；以及
存储控制器，被配置为执行关于所接收数据是热数据还是冷数据的第一评估，将在所述第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在所述第一存储器层中，以及将在所述第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在所述第二存储器层中，
其中，所述存储控制器进一步被配置为执行关于在所述第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据的第二评估，以及将在所述第二评估期间被评估为冷数据的数据从所述第一存储器层迁移到所述第二存储器层。
19.如权利要求18中所述的固态存储器系统，其中，所述存储控制器利用各自不同的数据通道而可操作地连接到所述第一和第二存储器层。
20.如权利要求18中所述的固态存储器系统，其中，所述存储控制器利用公共数据通道而可操作地连接到所述第一和第二存储器层。
21.如权利要求18中所述的固态存储器系统，其中，所述第一存储器层的运行速度高于所述第二存储器层的运行速度。
22.如权利要求21中所述的固态存储器系统，其中，所述第一和第二存储器层包括各自不同类型的存储单元。
23.如权利要求21中所述的固态存储器系统，其中，所述第一和第二存储器层包括相同类型的存储单元。
24.如权利要求18中所述的固态存储器系统，其中，在所述第一评估期间首先被评估为冷数据的数据被存储于所述第二存储器层之前，将其暂时地存储于所述第一存储器层。
25.如权利要求18中所述的固态存储器系统，其中，所述第一和第二存储器层被包含在所述固态驱动器中。
26.如权利要求18中所述的固态存储器系统，其中，所述第一和第二存储器层被包含在计算机系统的主存储器中。
27.一种固态存储器系统，被配置为可操作地连接到计算机操作系统并且包括第一和第二存储器层，其中，所述第一存储器层的运行速度高于所述第二存储器层的运行速度，并且当所述固态存储器被可操作地连接到所述计算机操作系统时，对于该计算机操作系统可操作地隐藏所述第一存储器区域。
28.如权利要求27所述的固态存储器系统，其中，所述固态存储器进一步包括控制器，其被配置为：执行关于所接收数据是热数据还是冷数据的第一评估；将在所述第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在所述第一存储器层中；以及将在所述第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在所述第二存储器层中，
其中，所述存储控制器进一步被配置为：执行关于在所述第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据的第二评估；以及将在所述第二评估期间被评估为冷数据的数据从所述第一存储器层迁移到所述第二存储器层。
29.一种包含处理器和固态存储器的计算机系统，其中，所述固态存储器包含高速存储器层和低速存储器层，并且其中对于所述处理器可操作地隐藏所述高速存储器区域。
30.如权利要求29所述的计算机系统，其中，所述固态存储器进一步包括存储控制器，其被配置为：执行关于所接收数据是热数据还是冷数据的第一评估；将在所述第一评估期间被评估为热数据的所接收数据存储在所述第一存储器层中；以及将在所述第一评估期间被评估为冷数据的所接收数据存储在所述第二存储器层中，
其中，所述存储控制器进一步被配置为：执行关于在所述第一存储器层中存储的数据是热数据还是冷数据的第二评估；以及将在所述第二评估期间被评估为冷数据的数据从所述第一存储器层迁移到所述第二存储器层。
31.如权利要求29所述的计算机系统，其中，所述存储器是固态驱动器。
32.如权利要求29所述的计算机系统，其中，所述存储器是主存储器。
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