CN108255419A - 一种用于tlc类型ssd的磨损均衡方法及ssd - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于TLC类型SSD的磨损均衡方法及固态硬盘，特征在于同时包括了SLC区域内磨损均衡、TLC区域内磨损均衡和区域间磨损均衡，SLC区域内磨损均衡通过将SLC区域作为循环队列，TLC区域内磨损均衡通过统计各个block的擦写次数，优先选择擦写次数少的block用于存储数据，所述区域间磨损均衡为根据热数据识别阀值将SLC中的数据分为冷数据和热数据，将冷数据从SLC区域迁移到TLC区域，所述热数据识别阀值根据磨损速率来动态确定。利用SLC读写性能高和可擦写次数多的优点存储热数据，利用大容量的TLC存储冷数据，从而达到成本、容量、寿命、性能的折中。通过使用动态调整热数据阈值来降低冷数据写入SLC、热数据被写入TLC的几率，降低SLC向TLC迁移的数据量。

Description

一种用于TLC类型SSD的磨损均衡方法及SSD
技术领域
本发明涉及固态硬盘控制技术，特别涉及一种用于TLC类型SSD的磨损均衡方法及SSD。
背景技术
目前，随着固态硬盘SSD(solid state disk)表现出比传统机械硬盘更优的特点，SSD具有读写性能高、功耗低、体积小等有点，已经在多个领域逐渐替代机械硬盘。
随着NANDflash技术的发展，SSD已经从使用SLC(single level cell)转变为使用TLC(triple level cell)。如果只是使用将TLC颗粒中的所有block作为TLC使用，会造成SSD成本相对比较高和寿命短的缺点，将TLC颗粒中部分block开成SLC部分开成TLC已经成为一种趋势。由于TLC类型的各个Block的擦写寿命都有限，为了提高其整体使用寿命，必须要对其进行磨损均衡，而且磨损均衡策略的选择非常重要，如果磨损均衡策略不好，还可能带来写放大，降低其使用寿命的问题。
图1是现有TLC类型SSD数据均衡策略示意图，使用单一TLC存储介质的SSD存在成本高、寿命短的缺点。一般将TLC中的部分区域强制转化为SLC类型，这样SSD存在SLC区域SLC region和TLC区域TLC region；一般采用如下的磨损均衡策略，主机通知SSD有新的写入指令，写命令数据进入主机数据过滤器Hot data filter，使用SLC向TLC迁移的数据量作为阈值进行冷热数据判断，具体为：根据迁移数据量的大小作为阈值，比如阈值为128KB，如果数据量大于128KB认为是热数据，否则认为是冷数据。如果大于阈值被判断为热数据写入SLC，如果小于阈值被判断为冷数据写入TLC；经过冷热数据判断后进行地址映射addressmapping，根据数据类型分别进行数据映射热数据进行SLC mapping，冷数据进行TLCmapping；经过address mapping后，数据会被写入SLC region或者TLC region将过滤器判断为热数据的数据写入SLC区域，冷数据写入TLC区域，SLC区域达到预想设定的阀值时或触发垃圾回收操作GC时将SLC中的便冷的冷数据迁移到TLC中，这样会造成SLC中存在大量不必要的写操作及大量从SLC区域向TLC区域的数据迁移，这样必然带来大量的写放大问题。
现有TLC垃圾回收流程如下,SLC region中分为主机数据区域hot region和冷区域热数据区region，数据优先写入hot数据区；当hot数据区启动时，将数据复制到warm数据区；当warm数据区进行垃圾回收时，根据N次机会原则将循环周期数达到N次的有效数据迁移到TLC数据区，否则留在warm数据区；TLC数据区按照普通垃圾回收机制进行。现有TLCSSD一方面能够延长热数据在SLC中停留的时间，提高了SSD使用初始阶段的性能；另一方面这种机制增加了SLC内部的数据迁移次数，增加了SLC垃圾回收开销和磨损程度，有时候得不偿失。
发明内容
针对以上缺陷，本发明目的是如何降低由于SLC区域数据均衡到TLC区域造成的数据读写概率，进而实现降低写放大问题。
为了解决以上问题本发明提出了一种用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，SSD将部分TLC类型存储区域转换为SLC类型存储区域或单独设置一个SLCFLASH作为SLC区域，SSD分为TLC区域和SLC区域，其特征在于同时包括了SLC区域内磨损均衡、TLC区域内磨损均衡和区域间磨损均衡，SLC区域内磨损均衡通过将SLC区域作为一个循环队列使用实现均衡，所述TLC区域内磨损均衡通过统计各个block的擦写次数，优先选择擦写次数少的block用于存储数据，所述区域间磨损均衡为根据热数据识别阀值将SLC中的数据分为冷数据和热数据，将冷数据从SLC区域迁移到TLC区域，所述热数据识别阀值根据磨损速率来动态确定。
所述的用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，其特征在于使用SLC和TLC的磨损速率来调整热数据阀值θ，NS是SLC区域的总有效block数，NM是TLC区域的总有效block数，LS为SLC擦除周期，LM为TLC的擦除周期，ES i是SLC各block的擦除次数，EM j是TLC各block的擦除次数，那么SLC和TLC的相对磨损速率RWS和RWM就表示为：
等效总擦除次数为:当[RWS]＝[RWM],[]为取整符号计算，SLC和TLC磨损速率相同，达到区域间的磨损均衡，当[RWS]>[RWM]时，SLC磨损比TLC磨损块，需要增大θ，让数据尽量写入TLC直到[RWS]＝[RWM]；当[RWS]<[RWM]时，TLC磨损比SLC磨损块，需要减小θ，让数据尽量写入SLC直到[RWS]＝[RWM]。
所述的用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，其特征在于将SLC作为一个循环队列，新写入的数据从队列头head指向的块写入，当SLC空闲块不足则启动垃圾回收操作，垃圾回收从队列尾指向的块开始回收。
所述的用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，其特征在于SLC地址映射表每个映射项增加cycle_time字段，记录数据停留在SLC区域的循环周期数，当垃圾回收目标块中所对应的页为有效页并循环一周时，cycle_time加一；最后根据cycle_time大小和SLC\TLC磨损速率决定数据迁移策略，当SLC磨损速率慢于TLC时，使用N次机会原则将SLC中的数据迁移到TLC；否则，直接将SLC中的数据迁移到TLC。
一种固态硬盘，其特征在于SSD将部分TLC类型存储区域转换为SLC类型存储区域，SSD分为TLC区域和SLC区域，同时包括了SLC区域内磨损均衡、TLC区域内磨损均衡和区域间磨损均衡，SLC区域内磨损均衡通过将SLC区域作为一个循环队列使用实现均衡，所述TLC区域内磨损均衡通过统计各个block的擦写次数，优先选择擦写次数少的block用于存储数据，所述区域间磨损均衡为根据热数据识别阀值将SLC中的数据分为冷数据和热数据，将冷数据从SLC区域迁移到TLC区域，所述热数据识别阀值根据磨损速率来动态确定。
所述的固态硬盘，其特征在于使用SLC和TLC的磨损速率来调整热数据阀值θ，NS是SLC区域的总有效block数，NM是TLC区域的总有效block数，LS为SLC擦除周期，LM为TLC的擦除周期，ES i是SLC各block的擦除次数，EM j是TLC各block的擦除次数，那么SLC和TLC的相对磨损速率RWS和RWM就表示为：
等效总擦除次数为:当[RWS]＝[RWM],[]为取整符号计算，SLC和TLC磨损速率相同，达到区域间的磨损均衡，当[RWS]>[RWM]
时，SLC磨损比TLC磨损块，需要增大θ，让数据尽量写入TLC直到[RWS]＝
[RWM]；当[RWS]<[RWM]时，TLC磨损比SLC磨损块，需要减小θ，让数据尽量写入SLC直到[RWS]＝[RWM]。
所述的固态硬盘，其特征在于将SLC作为一个循环队列，新写入的数据从队列头head指向的块写入，当SLC空闲块不足则启动垃圾回收操作，垃圾回收从队列尾指向的块开始回收。
所述的固态硬盘，其特征在于SLC地址映射表每个映射项增加cycle_time字段，记录数据停留在SLC区域的循环周期数，当垃圾回收目标块中所对应的页为有效页并循环一周时，cycle_time加一；最后根据cycle_time大小和SLC\TLC磨损速率决定数据迁移策略，当SLC磨损速率慢于TLC时，使用N次机会原则将SLC中的数据迁移到TLC；否则，直接将SLC中的数据迁移到TLC。
本发明的有益效果是：通过引入该方案，利用SLC读写性能高和可擦写次数多的优点存储热数据，利用大容量的TLC存储冷数据，从而达到成本、容量、寿命、性能的折中。通过使用动态调整热数据阈值来降低冷数据写入SLC、热数据被写入TLC的几率，通过FIFO调度机制管理SLC来降低SLC向TLC迁移的数据量。
附图说明
图1是现有TLC类型SSD数据均衡策略示意图；
图2是改进后TLC类型SSD数据均衡策略示意图；
图3是SLC垃圾回收流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
SSD将部分TLC类型存储区域转换为SLC类型存储区域，SSD分为TLC区域和SLC区域，通过数据分配机制均衡各个区域的数据，数据分配机制主要由磨损均衡控制模块(wareleveling control)和冷热数据区分模块(hot data filter)组成，磨损均衡控制模块同时包括了SLC区域内磨损均衡、TLC区域内磨损均衡和区域间磨损均衡，SLC区域内磨损均衡通过将SLC区域作为一个循环队列使用，head和tail分别是队列的头指针和尾指针所述TLC区域内磨损均衡。TLC数据区由user data和system data组成，user data存储主机写入的数据，system data存储映射表和坏块表通过统计各个block的擦写次数，优先选择擦写次数少的block用于存储数据，所述区域间磨损均衡为根据热数据识别阀值将SLC中的数据分为冷数据和热数据，将冷数据从SLC区域迁移到TLC区域，所述热数据识别阀值根据磨损速率来动态确定。
图2是改进后TLC类型SSD数据均衡策略示意图，写操作流程如下：
1)HOST有写命令时，先经过ware leveling control模块计算SLC和TLC的磨损速率，并使用磨损速率动态调整热数据阈值θ；
2)然后数据进入hotdatafilter模块，将负载大于θ的数据归类为热数据，将负载小于θ的数据归类为冷数据；
3)热数据经过SLCmap获得逻辑地址对应的SLC物理地址，冷数据经过TLC map获得逻辑地址对应的TLC物理地址；
4)最后将热数据写入SLC，冷数据写入TLC。
本发明GC流程如下：
1)当SLC空闲block不足时，就会触发GC机制，最先写入的数据作为垃圾回收的目标块；
2)当SLC磨损速率慢于TLC时，使用N次机会原则将SLC中的数据迁移到TLC；否则，直接将SLC中的数据迁移到TLC；等数据迁移完成再回收SLC的block；
3)TLC数据区采用正常的GC流程；
本技术方案的磨损均衡策略安如下方式进行：
磨损均衡包括SLC\TLC区域间磨损均衡和区域内磨损均衡。区域间磨损均衡指SLCNANDflash和TLCNANDflash间的磨损均衡，区域内磨损均衡指SLC和TLC颗粒内部的磨损均衡。
区域内磨损均衡：因为将SLC作为循环队列使用，已经可以满足SLC颗粒内部磨损均衡；TLC会统计各block的擦写次数，优先选择擦写次数少的block存储数据，用这种方式来保证TLC内部的磨损均衡。
区域间磨损均衡：通过具有磨损均衡的热数据识别阈值调整和将冷数据从SLC迁移到TLC。
热数据识别阈值θ调整具体按如下方式确定：
热数据识别阈值θ是本发明的关键之一。如果θ过小，数据会被大量分配到SLC，造成SLC磨损速率加快，并造成大量数据从SLC迁移到TLC；如果θ过大，数据会被大量分配到TLC，会导致TLC磨损速率加快，降低SSD的整体写性能。
使用SLC和TLC的磨损速率来调整θ，假设NS和NM分别是SLC和TLC的总有效block数，LS和LM分别是SLC和TLC的擦除周期，ES i和EM j分别是SLC和TLC各block的擦除次数，那么SLC和TLC的相对磨损速率RWS和RWM就表示为
TLCSSD的等效总擦除次数为
当[RWS]＝[RWM]([·]取整符号)，可以认为SLC和TLC磨损速率相同，
达到区域间的磨损均衡。当[RWS]>[RWM]时，SLC磨损比TLC磨损块，需要增大θ，让数据尽量写入TLC直到[RWS]＝[RWM]。当[RWS]<[RWM]时，TLC磨损比SLC磨损块，需要减小θ，让数据尽量写入SLC直到[RWS]＝[RWM]。
图3是SLC数据管理与数据迁移机制示意图，具体说明：
为实现SLC区域的磨损均衡，在SLC中实现FIFO机制。将SLC作为一个循环队列，新写入的数据存入head指向的block，当SLC空闲block不足时启动垃圾回收，将tail指向的block回收，并将tail指针前移。
SLC向TLC数据迁移需要结合磨损均衡和FIFO调度机制。SLC地址映射表每个映射项增加cycle_time字段，记录数据停留在SLC区域的循环周期数，当垃圾回收目标block中所对应的page为有效页并循环一周时，cycle_time加一；最后根据cycle_time大小和SLC\TLC磨损速率决定数据迁移策略，当SLC磨损速率慢于TLC时，使用N次机会原则将SLC中的数据迁移到TLC；否则，直接将SLC中的数据迁移到TLC。
N次机会原则具体说明：当SLC磨损速率慢于TLC时，如果cycle_time＝N(最大循环次数)，将数据从SLC tail指向的block迁移到TLC；否则将tail block数据复制到head指向的block，并且cycle_time加一，进行新的一轮循环。
以上所揭露的仅为本发明一种实施例而已，当然不能以此来限定本之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，SSD将部分TLC类型存储区域转换为SLC类型存储区域或单独设置一个SLC FLASH作为SLC区域，SSD分为TLC区域和SLC区域，其特征在于同时包括了SLC区域内磨损均衡、TLC区域内磨损均衡和区域间磨损均衡，SLC区域内磨损均衡通过将SLC区域作为一个循环队列使用实现均衡，所述TLC区域内磨损均衡通过统计各个b l ock的擦写次数，优先选择擦写次数少的b l ock用于存储数据，所述区域间磨损均衡为根据热数据识别阀值将SLC中的数据分为冷数据和热数据，将冷数据从SLC区域迁移到TLC区域，所述热数据识别阀值根据磨损速率来动态确定。
2.根据权利要求1所述的用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，其特征在于使用SLC和TLC的磨损速率来调整热数据阀值θ，NS是SLC区域的总有效b l ock数，NM是TLC区域的总有效b lock数，LS为SLC擦除周期，LM为TLC的擦除周期，ES i是SLC各b l ock的擦除次数，EM j是TLC各bl ock的擦除次数，那么SLC和TLC的相对磨损速率RWS和RWM就表示为：
等效总擦除次数为:当[RWS]＝[RWM],[]为取整符号计算，SLC和TLC磨损速率相同，达到区域间的磨损均衡，当[RWS]>[RWM]时，SLC磨损比TLC磨损块，需要增大θ，让数据尽量写入TLC直到[RWS]＝[RWM]；当[RWS]<[RWM]时，TLC磨损比SLC磨损块，需要减小θ，让数据尽量写入SLC直到[RWS]＝[RWM]。
3.根据权利要求1所述的用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，其特征在于将SLC作为一个循环队列，新写入的数据从队列头head指向的块写入，当SLC空闲块不足则启动垃圾回收操作，垃圾回收从队列尾指向的块开始回收。
4.根据权利要求3所述的用于TLC类型SSD的磨损均衡方法，其特征在于SLC地址映射表每个映射项增加cyc l e_t ime字段，记录数据停留在SLC区域的循环周期数，当垃圾回收目标块中所对应的页为有效页并循环一周时，cyc l e_t ime加一；最后根据cyc l e_time大小和SLC\TLC磨损速率决定数据迁移策略，当SLC磨损速率慢于TLC时，使用N次机会原则将SLC中的数据迁移到TLC；否则，直接将SLC中的数据迁移到TLC。
5.一种固态硬盘，其特征在于SSD将部分TLC类型存储区域转换为SLC类型存储区域，SSD分为TLC区域和SLC区域，同时包括了SLC区域内磨损均衡、TLC区域内磨损均衡和区域间磨损均衡，SLC区域内磨损均衡通过将SLC区域作为一个循环队列使用实现均衡，所述TLC区域内磨损均衡通过统计各个b l ock的擦写次数，优先选择擦写次数少的b l ock用于存储数据，所述区域间磨损均衡为根据热数据识别阀值将SLC中的数据分为冷数据和热数据，将冷数据从SLC区域迁移到TLC区域，所述热数据识别阀值根据磨损速率来动态确定。
6.根据权利要求5所述的固态硬盘，其特征在于使用SLC和TLC的磨损速率来调整热数据阀值θ，NS是SLC区域的总有效b l ock数，NM是TLC区域的总有效b l ock数，LS为SLC擦除周期，LM为TLC的擦除周期，ES i是SLC各b l ock的擦除次数，EM j是TLC各b l ock的擦除次数，那么SLC和TLC的相对磨损速率RWS和RWM就表示为：
等效总擦除次数为:当[RWS]＝[RWM],[]为取整符号计算，SLC和TLC磨损速率相同，达到区域间的磨损均衡，当[RWS]>[RWM]时，SLC磨损比TLC磨损块，需要增大θ，让数据尽量写入TLC直到[RWS]＝[RWM]；当[RWS]<[RWM]时，TLC磨损比SLC磨损块，需要减小θ，让数据尽量写入SLC直到[RWS]＝[RWM]。
7.根据权利要求5所述的固态硬盘，其特征在于将SLC作为一个循环队列，新写入的数据从队列头head指向的块写入，当SLC空闲块不足则启动垃圾回收操作，垃圾回收从队列尾指向的块开始回收。
8.根据权利要求7所述的固态硬盘，其特征在于SLC地址映射表每个映射项增加cyc le_t ime字段，记录数据停留在SLC区域的循环周期数，当垃圾回收目标块中所对应的页为有效页并循环一周时，cyc l e_t ime加一；最后根据cyc l e_t ime大小和SLC\TLC磨损速率决定数据迁移策略，当SLC磨损速率慢于TLC时，使用N次机会原则将SLC中的数据迁移到TLC；否则，直接将SLC中的数据迁移到TLC。
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