CN116149545A - 一种基于存储类内存的损耗均衡方法 - Google Patents

一种基于存储类内存的损耗均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种存储类内存(Storage Class Memory，SCM)的损耗均衡方法，包括根据数据的损耗力区分数据的数据类型，根据存储单元的损耗度区分存储单元的单元类型，并通过数据的数据类型与存储单元的单元类型调整数据的存储位置。本发明提供的损耗均衡方法适用于存储类内存的存储设备，能极大提高存储设备的寿命，为基于存储类内存的存储系统大规模商业化应用奠定了坚实基础。

Description

一种基于存储类内存的损耗均衡方法
技术领域
本发明属于数据存储领域，有关于存储类内存(Storage Class Memory,SCM)，尤其涉及一种存储类内存的损耗均衡方法。
背景技术
存储器包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)等等。存储器单元可为易失性或非易失性的，即使在不存在外部电源的情况下，非易失性存储器(例如，闪存存储器NAND Flash)也可长时间维持它们的存储逻辑状态。当与外部电源断开时，易失性存储器装置(例如，DRAM)可能丢失它们的存储状态。存储级内存(Storage Class Memory)存储器属于非易失性存储器,例如：铁电RAM(FeRAM)、磁性RAM(MRAM)、电阻式RAM(ReRAM)、相变存储器(PCRAM)技术等，具有高密度、大容量、能耗低的存储特性，为存储技术革命提供了良好的基础。SCM存储页在使用一定次数后会失效，可擦除次数一般为千万次至十亿次。
然而在基于SCM的存储芯片实际使用过程中,存储芯片的实际寿命远远低于上述理论值。其主要原因是SCM存储介质可以实现存储数据的就地更新，且存储数据的被操作频率不同。存储热数据的SCM存储单元由于热数据的不断更新,而导致这些存储单元不断地被擦写,形成坏块,当坏块达到一定的累积之后,存储芯片就不能够再使用了,而存储冷数据的存储单元由于冷数据长时间不更新写入,而导致这些存储单元很少被擦写,造成极大的浪费。损耗均衡算法所解决的正是如何将整个SCM存储介质被均衡的磨损,而不是某些存储区块不断被磨损,而其它存储区块则处于闲置状态，从而避免存储芯片过早崩溃的情况。
发明内容
本发明提供一种基于存储类内存的损耗均衡方法，旨在均衡存储器内各个存储单元的损耗，以解决因为存储器中部分存储单元损坏导致整个存储器性能下降甚至崩溃的问题。
本发明采用如下技术方案：一种基于存储类内存的损耗均衡方法，所述方法包括：配置当前数据的数据类型，所述数据类型至少包括：第一数据和第二数据；所述第一数据的损耗力小于第一阈值Q1,所述第二数据的损耗力大于第二阈值Q2；且Q1≤Q2；损耗力越高，表明数据对存储单元的损耗越快；
配置当前存储单元的单元类型，所述单元类型至少包括：第一单元和第二单元；所述第一单元的损耗度小于第一阈值P1,所述第二单元的损耗度大于第二阈值P2；且P1≤P2；损耗度越高，表明存储单元的损耗越大；
所述均衡方法至少包括：将存储于第二单元的第二数据进行迁移至一目标存储单元，所述目标存储单元的损耗度小于第二阈值P2。
优选的，所述目标存储单元为空闲的第一单元，或存储第一数据的第一单元。
优选的，所述目标存储单元为存储第一数据的第一单元，将第二单元的第二数据与该目标存储单元中的第一数据交换存储位置；交换存储位置通过一中继单元实现，所述中继单元为空闲存储单元。
优选的，迁移的第二数据的损耗力越大，其目标存储位置的损耗度越小。
优选的，所述Q1、Q2、P1、P2满足如下约束：
Figure BDA0003974830110000021
所述k1(Q1、Q2、P1、P2)表示存储器在当前状态下，通过Q1、Q2、P1、P2配置后，存储第二数据的第二单元数；所述k2(Q1、Q2、P1、P2)表示存储器在当前状态下，通过Q1、Q2、P1、P2配置后，存储第一数据的第一单元数与空闲的第一单元数之和。
优选的，根据存储器的总损耗度设定阈值Q1、Q2、P1、P2中的至少一个阈值，其中，存储器的总损耗度越大，Q1越大，Q2越小，P1越大，P2越小；所述存储器的总损耗度是指：存储器已擦写次数与可擦写次数之比。
优选的，数据的损耗力通过最近时间段的历史数据计算得到。
作为本发明的另一方面，本发明还提供一种存储器，采用上述方法均衡各个存储单元。
适用于本发明的存储单元为ReRAM、PCRAM、MRAM、FeRAM中的至少一种。
本发明的有益效果在于：
(1)基于数据的损耗力与存储单元的损耗度对存储类内存存储单元进行损耗均衡，能够避免因存储器中部分存储单元损坏导致整个存储器性能下降甚至崩溃的问题，延长了存储器的使用寿命。
(2)根据数据类型与存储单元类型对损耗力阈值与损耗度阈值进行适应性调整，能够最大程度的匹配存储器整体的运行情况，保证数据高效处理。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
在附图中：
图1为本发明的一范例实施例所示出的基于存储类内存的存储器示意图。
图2为本发明的一范例实施例所示出的基于存储类内存的损耗均衡方法流程图。
图3为本发明的一范例实施例所示出的判断数据损耗力的流程图。
图4为本发明的一范例实施例所示出的判断存储单元损耗度的流程图。
图5为本发明的一范例实施例所示出的存储于高损耗度的存储单元中强损耗数据迁移过程的示意图。
图6为本发明的一范例实施例所示出的中继单元辅助数据迁移中一种迁移过程的数据迁移流程图。
图7为本发明的一范例实施例所示出的中继单元辅助数据迁移中一种迁移过程的数据迁移流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种存储器，如图1所示，该存储器包含多个存储类内存存储单元，且至少包含一进行损耗均衡的控制器，实现各个存储单元的损耗均衡。
适用于本发明的存储单元为存储类内存，包括但不限于ReRAM、PCRAM、MRAM、FeRAM中的至少一种。这些SCM存储单元由于数据的不断更新,而导致某些存储单元不断地被擦写,形成坏块,当坏块达到一定的累积之后,存储器就不能够再使用了，因此，本发明的均衡控制对于延长SCM存储单元的使用寿命显得尤为重要。
上述基于存储类内存的损耗均衡方法，如图2所示，该方法根据数据的损耗力和存储单元的损耗度，将存储于高损耗度的存储单元中强损耗力数据进行迁移，避免这种强损耗力数据对该高损耗度存储单元进行进一步损耗。本方法的具体步骤包括：
S1:设定数据的损耗力第一阈值Q1、第二阈值Q2(Q1≤Q2)和存储单元的损耗度第一阈值P1、第二阈值P2(P1≤P2)；
在本发明某些较为优选的方案中，根据存储器的总损耗度设定阈值Q1，存储器的总损耗度越大，Q1越大；或根据存储器的总损耗度设定阈值Q2，存储器的总损耗度越大，Q2越小；或根据存储器的总损耗度设定阈值P1，存储器的总损耗度越大，P1越大；或根据存储器的总损耗度设定阈值P2，存储器的总损耗度越大，P2越小。
本发明优选的方案中，上述Q1、Q2、P1、P2是根据存储器当前状态设定的，具体满足如下约束：
Figure BDA0003974830110000051
所述k1(Q1、Q2、P1、P2)表示存储器在当前状态下，通过Q1、Q2、P1、P2配置后，存储第二数据的第二单元数；所述k2(Q1、Q2、P1、P2)表示存储器在当前状态下，通过Q1、Q2、P1、P2配置后，存储第一数据的第一单元数与空闲的第一单元数之和。通过该约束，可以保证足量的目标存储单元，供存储于高损耗度存储单元的强损耗力数据的迁移。随着存储器的进一步使用，存储单元的损耗度将逐渐提升，为避免出现某些存储单元损耗度过高导致存储器崩溃的问题，应通过动态调整Q1、Q2、P1、P2使得存储器综合性能最优。
所述存储器的总损耗度是指：存储器已擦写次数与可擦写次数之比。
S2:配置当前数据的数据类型和当前存储单元的单元类型。
所述数据类型至少包括：第一数据和第二数据；在某些实施案例中，所述第一数据的损耗力小于第一阈值Q1,所述第二数据的损耗力大于第二阈值Q2；且Q1≤Q2；在某些实施案例中，还可以包括第三数据，第三数据的损耗力介于第一数据和第二数据之间。
所述单元类型至少包括：第一单元和第二单元；所述第一单元的损耗度小于第一阈值P1,所述第二单元的损耗度大于第二阈值P2；且P1≤P2；在某些实施案例中，还可以包括第三单元，第三单元的损耗度介于第一单元和第二单元之间。
本发明中，采用损耗力来评价数据对存储单元的损耗能力；损耗力越高，表明数据对存储单元的损耗越快；损耗力可以采用历史数据计算得到；优选采用最近时间段的历史数据计算得到，可以有效预测未来一段时间的损耗力。例如采用最近24小时的更新次数，获得近24小时的更新频率，作为该数据的损耗力。
图3给出了判断数据损耗力的具体步骤，包括：①统计数据最近时间段的历史更新次数，计算数据最近时间段的更新频率，②判断数据最近时间段的更新频率与损耗力阈值Q1、Q2的大小关系，③若数据的更新频率小于损耗力阈值Q1，则将数据归类为第一数据(弱损耗力数据)；若数据的更新频率大于损耗力阈值Q2,则将数据归类为第二数据(强损耗力数据)。
本发明中，损耗度表示存储单元的损耗程度，一般为：已擦写次数占可擦写次数之比；损耗度越高，表明存储单元的损耗越大。
图4给出了判断存储单元损耗度的具体步骤，包括：①统计存储单元最近时间段的历史擦写次数，计算历史擦写次数与可擦写次数之比，②判断存储单元历史擦写次数与可擦写次数比值与损耗度阈值P1、P2的大小关系，③若存储单元历史擦写次数与可擦写次数比值小于损耗度阈值Q1，则将存储单元归类为第一单元(低损耗度存储单元)；若存储单元历史擦写次数与可擦写次数比值大于损耗度阈值Q2,则将存储单元归类为第二单元(高损耗度存储单元)。
在本发明某些较为优选的方案中，根据存储器的总损耗度设定阈值Q1，存储器的总损耗度越大，Q1越大，筛选出的低损耗度存储单元越多，使得迁移目标存储单元数量较大，有利于提供足量的迁移目标存储单元。
在本发明某些较为优选的方案中，根据存储器的总损耗度设定阈值Q2，存储器的总损耗度越大，Q2越小，筛选出的高损耗度存储单元越多，当存储单元损耗度较高时即可将其数据迁移，有利于使得存储单元的损耗度更加均衡。
在本发明某些较为优选的方案中，根据存储器的总损耗度设定阈值P1，存储器的总损耗度越大，P1越大，筛选出的弱损耗力数据越多，其占据的低损耗度存储单元越多，有利于提供足量的迁移目标存储单元。
在本发明某些较为优选的方案中，根据存储器的总损耗度设定阈值P2，存储器的总损耗度越大，P2越小，筛选出的强损耗力数据越多，其占据的高损耗度存储单元越多，当其占据的存储单元损耗度较高时即可将强损耗力数据搬移，有利于使得存储单元的损耗度更加均衡。
S3:提取前述存储于高损耗度的存储单元中强损耗力数据；
S4:将存储于高损耗度存储单元中的强损耗力数据转移至低损耗度存储单元。
上述强损耗力数据迁移后所在的存储单元的损耗度应当小于第二阈值P2，才对存储器的性能有促进作用。而损耗度小于第一阈值P1的空闲存储单元、损耗度小于第一阈值P1且存储弱损耗力数据(损耗力小于第一阈值Q1)的存储单元被认为是较为优选的目标存储单元，可以将存储于高损耗度的存储单元中强损耗数据迁移至优选的位置，如图5所示。空闲的低损耗度存储单元和存储弱损耗力数据的低损耗度存储单元可满足强损耗力数据的损耗需求。其中，尤其是空闲的低损耗度存储单元还可以减小数据迁移过程中发生的擦写次数，直接将存储于高损耗度的存储单元中强损耗力数据迁移至这种空闲的存储单元即可。而迁移至存储弱损耗力数据的低损耗度存储单元时，需要中继存储单元的辅助(空闲的存储单元)，中继存储单元可以是CPU中的空闲缓存存储单元，也可以是另外一个同质空闲存储单元。图6展示了中继单元辅助转移的过程，需要：①将存储于高损耗度的存储单元中强损耗力数据迁移至中继单元，②将低损耗度存储单元中的弱损耗力数据迁移至前述高损耗度的存储单元中，③将存储于中继单元的强损耗力数据迁移至前述低损耗度存储单元。或者，如图7，需要：①将低损耗度存储单元中的弱损耗力数据迁移至中继单元，②将存储于高损耗度的存储单元中强损耗力数据迁移至前述低损耗度的存储单元中，③将存储于中继单元的弱损耗力数据再转移至前述高损耗度存储单元。
在本发明某些实施例中，还对目标存储单元根据其损耗度进行排序，损耗度低的存储单元被优先用于存储强损耗力的数据，可以均衡各个存储单元的损耗过程。

Claims (10)

1.一种基于存储类内存的损耗均衡方法，其特征在于，所述方法包括：
配置当前数据的数据类型，所述数据类型至少包括：第一数据和第二数据；所述第一数据的损耗力小于第一阈值Q1,所述第二数据的损耗力大于第二阈值Q2；且Q1≤Q2；损耗力越高，表明数据对存储单元的损耗越快；
配置当前存储单元的单元类型，所述单元类型至少包括：第一单元和第二单元；所述第一单元的损耗度小于第一阈值P1,所述第二单元的损耗度大于第二阈值P2；且P1≤P2；损耗度越高，表明存储单元的损耗越大；
所述均衡方法至少包括：将存储于第二单元的第二数据进行迁移至一目标存储单元，所述目标存储单元的损耗度小于第二阈值P2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标存储单元为空闲的第一单元，或存储第一数据的第一单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标存储单元为存储有第一数据的第一单元，将第二单元的第二数据与该目标存储单元中的第一数据交换存储位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，交换存储位置通过一中继单元实现，所述中继单元为空闲存储单元。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，迁移的第二数据的损耗力越大，其目标存储位置的损耗度越小。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Q1、Q2、P1、P2满足如下约束：
Figure FDA0003974830100000011
所述k1(Q1、Q2、P1、P2)表示存储器在当前状态下，通过Q1、Q2、P1、P2配置后，存储第二数据的第二单元数；所述k2(Q1、Q2、P1、P2)表示存储器在当前状态下，通过Q1、Q2、P1、P2配置后，存储第一数据的第一单元数与空闲的第一单元数之和。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据存储器的总损耗度设定阈值Q1、Q2、P1、P2中的至少一个阈值，其中，存储器的总损耗度越大，Q1越大，Q2越小，P1越大，P2越小；所述存储器的总损耗度是指：存储器已擦写次数与可擦写次数之比。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据的损耗力通过最近时间段的历史数据计算得到。
9.一种存储器，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的方法均衡各个存储单元。
10.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于，所述存储单元为ReRAM、PCRAM、MRAM、FeRAM中的至少一种。
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