JP2017167658A - 記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュメモリの消耗の低減化と書き込み速度の高速化とを実現する、不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理を実行する記録装置を、提供する。
【解決手段】記録装置は、少なくとも一つのスペアの不揮発性記憶装置を含む不揮発性記憶装置を装着する。記録装置は、スペアの不揮発性記憶装置に対して、管理テーブルを初期化するコマンドを発行後、選択された不揮発性記憶装置のデータを論理アドレス順にスペアの不揮発性記憶装置に対してコピーする。記録装置はコピー完了後、スペアの不揮発性記憶装置をスペアで無い不揮発性記憶装置として設定し、スペアで無い不揮発性記憶装置をスペアの不揮発性記憶装置として設定する。
【選択図】図１

Description

本開示は、記録装置、特に不揮発性記憶装置へのデータ記録装置に関する。

半導体フラッシュメモリを用いた記憶装置は、低消費電力であること、高速性及び信頼性が高いこと等から今日広く利用されている。

フラッシュメモリにおいては、データの書き込み・消去回数に制限がある。すなわち、書き換え回数が制約される。そのため、フラッシュメモリでは、既に書き込みが行われた（書き込み単位である）ページに対して、更なる上書きが集中することが回避されるように構成されている。

フラッシュメモリでは、複数のページを含むブロックをデータの管理単位（特に、消去単位）としている。従って、データの書き込み要求において指定されたページの論理アドレスが、再度指定されて新たなデータの書き込みがホスト装置から要求されると、フラッシュメモリを備える不揮発性記憶装置は、消去済みのブロックのうちの書き込みがまだ行なわれていないページに対して新たなデータの書き込みを行う。このとき、当該論理アドレスに対応して前回書き込みが行われたページを無効にして、新たなデータの書き込みが行われたページを有効にする。このように、消去済みのブロックに対してはページ単位で書き込みができるように構成されている。つまり消去済みのブロックが複数あるとき、その中の一部のブロックでは、ブロック内の一部のページまで書き込みがされ残りのページに書き込み（書き換え）が可能である、という状況になることがある。

また、フラッシュメモリは、ホスト装置のオペレーティングシステムにおける論理アドレスと、フラッシュメモリにおける物理アドレスとを対応付ける管理テーブルを備えている。上述のように、論理アドレスに対応して前回書き込みが行われた物理ページを無効にして、新たなデータの書き込みが行われた物理ページを有効にする場合、管理テーブルにおいては、その論理アドレスと前回書き込みが行われた物理ページの物理アドレスとの対応関係が、その論理アドレスと新たなデータの書き込みが行われた物理ページの物理アドレスとの対応関係に、置き換えられる。なお、フラッシュメモリの初期化処理が行われると、管理テーブルにおいて、全てのページの論理アドレスに対応する、物理ページのアドレスの夫々は未使用状態、即ち、「無効」とされる。

以上のような方式において、書き込みを続けることにより、書き込み処理に利用可能なブロック（空きブロック）が少なくなると共に無効にされたページが増えてくると、不揮発性記憶装置において書き込み可能な容量が少なくなってくる。そのため、不揮発性記憶装置は、適当なタイミングでガベージコレクションを行なう。

特開２００３−２１６５０６号公報 特開２０１３−１８２３７８号公報 特開２０１３−０６１７９９号公報 特許第５５３５１２８号公報

しかしながら、上記のようなガベージコレクションでは、空きブロックの生成に非常に長い時間が掛かることがありその結果ホスト装置からのコマンドの待ち時間が長くなる等の問題が生じている。

本開示は、記録装置からのアクセス時のイレース及びコピーの回数を低減させ、このことによりフラッシュメモリの消耗の低減化と書き込み速度の高速化とを実現し得る、新規の処理を実行する記録装置を提供する。

本開示における記録装置は、
プロセッサを含み、少なくとも一つのスペアの不揮発性記憶装置を含む複数の不揮発性記憶装置を装着する記録装置であって、
不揮発性記憶装置は、
データを記録する一つ以上の不揮発性メモリと、
不揮発性メモリの制御を行う制御部とを備え、
制御部は、
不揮発性メモリに記録されるデータの記録状況を管理する管理テーブルを含み、
プロセッサは、
スペアの不揮発性記憶装置以外の不揮発性記憶装置のうちで、データ整理処理が行なれる、コピー元として選択された不揮発性記憶装置の識別子を受け取る第１のステップと、
スペアの不揮発性記憶装置のうちの少なくとも一つに備わる制御部に含まれる管理テーブルを初期化する第２のステップと、
管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置のデータを、論理アドレス順にコピーする第３のステップと、
管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置の識別子を付し、更に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置とその識別子との関係を解消してコピー元として選択された不揮発性記憶装置をスペアの不揮発性記憶装置とする第４のステップと
を実行する。

本開示における記録装置は、不揮発性メモリの消耗の低減化と書き込み速度の高速化とを実現する、不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理を実行することができる。

実施の形態に係る記録装置の概略構成図である。 データ整理処理のフロー図である。 データ整理処理後の、実施の形態に係る記録装置の概略構成図である。 図４（ａ）は、記録装置における複数の不揮発性記憶装置のための装着口と、識別子との対応関係の例を示す表である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す装着口と識別子との対応関係例を有する記録装置において、［段階１］〜［段階４］の処理が行われた後の、複数の不揮発性記憶装置のための装着口と、識別子との対応関係の例を示す表である。 図５（ｂ）は、［段階１］において、図１に示す識別子＃１の不揮発性記憶装置におけるフラッシュメモリ内のブロック及びページの構成例であり、図５（ａ）は、同じ不揮発性記憶装置における制御部内の、ページ単位の管理テーブルの例である。 ［段階２］において初期化された、図１に示すスペアの不揮発性記憶装置の制御部における管理テーブルの内容例である。 図７（ｂ）は、［段階３］後の、図１に示すスペアの不揮発性記憶装置におけるフラッシュメモリ内のブロック及びページの構成例であり、図７（ａ）は、同じ不揮発性記憶装置における制御部内の、ページ単位の管理テーブルの例である。 一般的なガベージコレクションを説明するための概念図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

１．本開示に至る経緯
フラッシュメモリにおいては、データの書き込み・消去回数に制限がある。そのため、フラッシュメモリでは、既に書き込みが行われた（書き込み単位である）ページに対して、更なる上書きが集中することが回避されるように構成されている。

またフラッシュメモリでは、複数のページを含むブロックをデータの管理単位（特に、消去単位）としている。従って、データの書き込み要求において一度指定されたページの論理アドレスが再度指定されることにより、新たなデータの書き込み要求がホスト装置から為されると、フラッシュメモリを備える不揮発性記憶装置は、消去済みのブロックのうちの書き込みがまだ行なわれていないページに対して新たなデータの書き込みを行う。このとき不揮発性記憶装置は、当該論理アドレスに対応して前回書き込みが行われたページを無効にして、新たなデータの書き込みが行われたページを有効にする。

このような方式において書き込みを続けることにより、書き込み処理に利用可能なブロック（空きブロック）が少なくなると共に無効にされたページが増えてくると、不揮発性記憶装置には書き込み可能な容量が少なくなってくる。そのため、不揮発性記憶装置は、適当なタイミングでガベージコレクションを行なう。

図８は、一般的なガベージコレクションを説明するための概念図である。不揮発性記憶装置は、無効にされたページを含む一つ以上のブロック（図８（ａ）参照）のうち、無効にされていない物理アドレスに書き込まれたデータ（有効データという）を集めて新たに空きブロックに書き直すことにより、有効データを移動させる（図８（ｂ）参照）。その後、不揮発性記憶装置は、元の当該ブロックに対して消去を行うことにより、新たな空きブロックを生成する（図８（ｃ）参照）。

不揮発性記憶装置が以上のようなガベージコレクションを行なうことにより、書き込みが不能になったブロックが新たに書き込み可能となり（図８（ｃ）左部参照）空きブロックを確保することが可能になる。移動により有効データが書き込まれたブロックにおいても、書き込みがまだ行なわれていないページがあればそのページに新たに書き込みが可能である（図８（ｃ）右部参照）。

ところで、多数のブロックにおける有効データの散在の状況次第により、ガベージコレクションによる空きブロックの生成の時間が左右される。例えば、有効データの少ないブロックの量が少ないような場合には、ガベージコレクションによる空きブロックの生成に非常に長い時間を要することがある。このようなときには、ホスト装置からのコマンドを待たせてしまう状況が発生する。このような状況に対応するために、使用ブロック（有効データが記録されているブロック）の数に応じて段階的にホスト装置との間の転送速度を制限するメモリシステムが提案されている（例えば、引用文献４参照）。

しかしながら、前述のメモリシステムによれば、転送速度の制限によりガベージコレクションの時間が短くはなるが、データの書き換えの回数そのものは減少しない。よって、フラッシュメモリの寿命を延ばすものではない。更に、昨今のホスト−メモリ間の高速なインターフェースにおいてはデータ転送時間自体が非常に短いため、転送速度を制限することにも制約がある。

以上のような状況に鑑みて、本開示は為されたものである。即ち、本開示では、フラッシュメモリの消耗の低減化と書き込み速度の高速化とを実現する、記録媒体（例えば、ＳＳＤ）単位でのデータ整理処理を実行する記録装置が提供される。

２．実施の形態
２．１．記録装置の構成
図１は、実施の形態に係る記録装置の概略構成図である。記録装置２は、記録装置２全体の制御を行うＣＰＵ（プロセッサ）４と、メインメモリ６と、記録装置２及び付属する不揮発性記憶装置１２におけるＤＭＡ転送の通信制御を行うＤＭＡＣ（ダイレクトメモリアクセスコントローラ）８と、付属する（装着する）不揮発性記憶装置１２とのデータ送受信のインターフェースであるホストＩ／Ｆ部１０とを含む。

なお、不揮発性記憶装置１２（１２’）としては、例えば、ＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）等の記録媒体が挙げられる。

記録装置２には、複数の不揮発性記憶装置１２（１２’）が装着するように構成されている。複数の不揮発性記憶装置１２（１２’）のうち少なくとも一つが、スペアの不揮発性記憶装置１２’であるとして、記録装置２のオペレーティングシステムにより識別されている。

ここで、スペアの不揮発性記憶装置１２’以外の不揮発性記憶装置１２の各々には、識別子が（例えば、＃０、＃１、・・・＃ｎが）設定されている。図４（ａ）は、記録装置２における複数の不揮発性記憶装置のための装着口（番号）と、識別子との対応関係の例を示す表である。これら識別子は記録装置２のオペレーティングシステムにより設定される。なお、スペアの不揮発性記憶装置１２’の各々にも、記録装置２のオペレーティングシステムによりスペアの不揮発性記憶装置１２’としての識別子が設定されてもよい。

夫々の不揮発性記憶装置１２（１２’）は、図１に示すように、不揮発性メモリ１６（１６’）及び制御部１４（１４’）を含む。ここでの不揮発性メモリは、例えば、フラッシュメモリである。制御部１４（１４’）には、記録装置２のオペレーティングシステムにおける論理アドレスと、同じ不揮発性記憶装置１２（１２’）内のフラッシュメモリ１６（１６’）における物理アドレスとを対応付ける管理テーブルが記憶されている。

２．２．記録装置の、不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理の動作
実施の形態に係る記録装置２は、図２のフロー図に示すように、以下の［段階１］〜［段階４］に従って、不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理を行う。

［段階１］スペアの不揮発性記憶装置１２’以外の不揮発性記憶装置１２のうちから、コピー元の不揮発性記憶装置が決定される。コピー元の不揮発性記憶装置の決定は、外部からの記録装置２に対する指定により行われる。例えば、記録装置２の利用者が記録装置２に対して「コピー元の不揮発性記憶装置」として「不揮発性記憶装置の識別子」を入力することにより、外部からの記録装置２に対する指定が行われることになる。

不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理の実行中には、コピー元及びコピー先の不揮発性記憶装置に対して、（データ整理処理を十分に実行し得る）所定時間、データのＩ／Ｏが発生しないことが望ましい。記録装置２の利用者は、そのような所定時間データのＩ／Ｏが発生する予定がない不揮発性記憶装置１２をコピー元の不揮発性記憶装置として指定することになる。

［段階２］次に、記録装置２は（例えば、）Ｔｒｉｍコマンドにより、スペアの不揮発性記憶装置１２’の制御部１４’における管理テーブルを初期化して、当該スペアの不揮発性記憶装置１２’のフラッシュメモリ１６’において全データを未使用状態にする（図６参照）。

［段階３］次に、記録装置２は、指定されたコピー元の不揮発性記憶装置１２のフラッシュメモリ１６に記録されたデータを、コピー元の不揮発性記憶装置１２の制御部１４に記憶される管理テーブルの論理アドレス順に従って、［段階２］にて管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置１２’のフラッシュメモリ１６’にコピーする。このとき、管理テーブルが初期化されていることにより、スペアの不揮発性記憶装置１２’にコピーされるデータは、当該フラッシュメモリ１６の物理アドレス上にて、論理アドレスの順序に対応するシーケンシャルのデータの並びとなる。スペアの不揮発性記憶装置１２’の制御部１４’に記憶される管理テーブルにおいては、論理アドレスの順序方向と物理アドレスの順序方向とが一致することになる。

［段階４］更に、記録装置２は、スペアの不揮発性記憶装置１２’に対して、コピー元の不揮発性記憶装置１２の識別子を付する。コピー元の不揮発性記憶装置１２に対しては、その識別子との関係を解消して、スペアの不揮発性記憶装置１２’としての識別子を付する。つまり、スペアの不揮発性記憶装置１２’を、スペアでは無い不揮発性記憶装置１２として設定し、（コピー元の）スペアでは無い不揮発性記憶装置１２を、スペアの不揮発性記憶装置１２’として設定する。

以上の［段階１］〜［段階４］のようにして不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理が行われる。図１に構成図を示す記録装置２では、不揮発性記憶装置１２の夫々に対して左から順に、スペアでは無い不揮発性記憶装置として、＃０、＃１、・・・＃ｎの識別子が付されている。右端の不揮発性記憶装置１２’はスペアの不揮発性記憶装置であり、識別子として、スペアの不揮発性記憶装置としての識別子＃０が付されている。

図１に示す、識別子＃１の不揮発性記憶装置１２に対して、前述の［段階１］〜［段階４］のデータ整理処理が行われた後の記録装置２の構成図を、図３に示している。データ整理処理は、図１における識別子＃１の不揮発性記憶装置１２と、スペアの不揮発性記憶装置としての識別子＃０が付されている不揮発性記憶装置１２’との間で行われた。図３に示す記録装置２では、データ整理処理前にはスペアでは無い「識別子＃１の不揮発性記憶装置１２」であった左から二番目の不揮発性記憶装置１２は、スペアの不揮発性記憶装置１２’となっており、スペアの不揮発性記憶装置としての識別子＃０が付されている（ここで、スペアの不揮発性記憶装置としての識別子は、例えば、＃１０等でもよい）。また、右端の不揮発性記憶装置が、スペアでは無い不揮発性記憶装置となっており、識別子＃１を付されている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す装着口と識別子との対応関係例を有する記録装置２において、前述の［段階１］〜［段階４］の処理が行われた後の、複数の不揮発性記憶装置のための装着口（番号）と、識別子との対応関係の例を示す表である。図４（ａ）の表と比べて、装着口（１）と装着口（ｎ＋１）の、識別子が入れ替わっている。

また、図５（ｂ）は、［段階１］において、図１に示す識別子＃１の不揮発性記憶装置１２におけるフラッシュメモリ１６内のブロック及びページの構成例であり、図５（ａ）は、同じ不揮発性記憶装置１２における制御部１４内の、ページ単位の管理テーブルの例である。フラッシュメモリ１６内のページにおける「○」は有効データであることを示し、「×」は無効データであることを示し、更に「未記入」は消去済み状態であることを示す。図５（ａ）に示す管理テーブルでは、論理アドレスに対応する物理アドレスは、シーケンシャルの並びではない。

図６は、［段階２］において初期化された、図１に示すスペアの不揮発性記憶装置１２’の制御部１４’における管理テーブルの内容例である。全てのページの論理アドレスに対応する、物理アドレスの夫々は、未使用状態、即ち「無効」と設定される。

更に、図７（ｂ）は、［段階３］後の、図１に示すスペアの不揮発性記憶装置１２’におけるフラッシュメモリ１６’内のブロック及びページの構成例であり、図７（ａ）は、同じ不揮発性記憶装置１２’における制御部１４’内の、ページ単位の管理テーブルの例である。図７（ａ）に示す管理テーブルでは、論理アドレスに対応する物理アドレスは、シーケンシャルの並びになっている。

２．３．まとめ
実施の形態に係る記録装置２は、プロセッサ４を含み、少なくとも一つのスペアの不揮発性記憶装置１２’を含む複数の不揮発性記憶装置１２（１２’）を装着する記録装置である。不揮発性記憶装置１２（１２’）は、データを記録する一つ以上の不揮発性メモリ１６（１６’）と、不揮発性メモリ１６（１６’）の制御を行う制御部１４（１４’）とを備える。制御部１４（１４’）は、不揮発性メモリ１６（１６’）に記録されるデータの記録状況を管理する管理テーブルを含む。記録装置２のプロセッサ４は、
スペアの不揮発性記憶装置１２’以外の不揮発性記憶装置１２のうちで、データ整理処理が行なれる、コピー元として選択された不揮発性記憶装置１２の識別子を受け取る第１のステップと、
スペアの不揮発性記憶装置１２’のうちの少なくとも一つに備わる制御部１４’に含まれる管理テーブルを初期化する第２のステップと、
管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置１２’に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置１２のデータを、論理アドレス順にコピーする第３のステップと、
管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置１２’に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置１２の識別子を付し、更に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置１２とその識別子との関係を解消してコピー元として選択された不揮発性記憶装置１２をスペアの不揮発性記憶装置とする第４のステップと
を実行する。

実施の形態に係る記録装置により、ガベージコレクションとしてのデータ整理処理時のデータコピー回数が１回になると共に、コピー先の不揮発性メモリではシーケンシャルデータの書き込み状態になる。従って、ガベージコレクション中、若しくは、ガベージコレクション後の、アクセス時のイレース及びコピーの動作回数が低減する。このように、実施の形態に係る記録装置では、不揮発性メモリの消耗の低減化と書き込み速度の高速化とを実現する、不揮発性記憶装置単位でのデータ整理処理が、実行され得る。

３．その他の実施の形態
本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。

まず、記録装置は複数のスペアの不揮発性記憶装置を装着するものであってもよい。また、記録装置の実行するデータ整理処理の対象であるコピー元の不揮発性記憶装置が二つ以上であってもよい。この場合、データ整理処理後コピー先の不揮発性記憶装置には二つ以上の識別子が付されることになる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、フラッシュメモリを含む複数のＳＳＤが装着される記録装置に適用可能である。具体的には、ビデオサーバなどに、本開示は適用可能である。

２・・・記録装置、４・・・ＣＰＵ（プロセッサ）、１２、１２’・・・不揮発性記憶装置、１４、１４’・・・制御部、１６、１６’・・・フラッシュメモリ。

Claims (2)

1. プロセッサを含み、少なくとも一つのスペアの不揮発性記憶装置を含む複数の不揮発性記憶装置を装着する記録装置であって、
   前記不揮発性記憶装置は、
   データを記録する一つ以上の不揮発性メモリと、
   前記不揮発性メモリの制御を行う制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記不揮発性メモリに記録されるデータの記録状況を管理する管理テーブルを含み、
   前記プロセッサは、
   スペアの不揮発性記憶装置以外の不揮発性記憶装置のうちで、データ整理処理が行なれる、コピー元として選択された不揮発性記憶装置の識別子を受け取る第１のステップと、
   スペアの不揮発性記憶装置のうちの少なくとも一つに備わる制御部に含まれる管理テーブルを初期化する第２のステップと、
   管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置のデータを、論理アドレス順にコピーする第３のステップと、
   管理テーブルが初期化されたスペアの不揮発性記憶装置に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置の識別子を付し、更に、コピー元として選択された不揮発性記憶装置とその識別子との関係を解消してコピー元として選択された不揮発性記憶装置をスペアの不揮発性記憶装置とする第４のステップと
   を実行する、
   記録装置。
2. 前記不揮発性メモリは、
   消去単位であるブロックを複数含み、
   前記ブロックはデータの書き込み単位であるページを複数含む、請求項１に記載の記録装置。

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