JP6465806B2 - ソリッドステートドライブアーキテクチャ - Google Patents
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Description
[0001] 本願は、2012年11月20日に提出された米国仮出願第61/728,394号及び2013年3月8日に提出された米国仮出願第61/775,327号について、米国特許法第119条(e)に基づく利益を請求し、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[0034] 図2は例示的なフラッシュメモリモジュールの図である。上述のように、フラッシュメモリは、電気的に消去され再プログラムされることの可能な不揮発性コンピュータ記憶装置である。上述のように、フラッシュメモリは、機械的衝撃に対する高い耐性と、小さな設置面積と、ダイナミックランダムアクセスメモリ(RAM)に匹敵する比較的速い読み出し時間とを有し、エネルギ効率が高く、電力を用いずにデータを何年も記憶することができる。フラッシュメモリは、パーソナルコンピュータ、モバイル機器、デジタルカメラ、ビデオゲーム、科学装置、産業ロボット、電子医療機器及び他のデバイスなど、種々の用途で用いられる。フラッシュメモリには、遅い書き込み時間や限られた寿命など、いくつかの制限がある。フラッシュメモリに関しては、書き込み時間が一般的に読み出し時間よりも1桁大きい。様々な種類のフラッシュメモリの寿命は、典型的には1000乃至3000消去サイクルの範囲に及ぶ。フラッシュメモリの消去は逐次増加する損傷を引き起こし、これが最終的にはフラッシュメモリのメモリ機構の故障に繋がる。
[0040] 図3は、図2に関して上述したもののような多数のフラッシュメモリモジュールを内蔵するSSDアーキテクチャの例示的な例を示す。SSDアーキテクチャはSATAデータレートを維持するとともにNANDフラッシュメモリの寿命の制限を軽減することができる。本例においては、SSD外部の中央処理装置(CPU)は、SATAバスに接続されている。SSDドライブはデータ入力を受け付け、コマンドを出し、SATAバスを介してデータを出力する。この出力データは、当初はDRAM論理フラッシュに記憶される。DRAM論理フラッシュは、DRAMコントローラと、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)の大群とを含む。DRAM論理フラッシュは高速内部バスに接続されている。高速内部バスは、DRAM論理フラッシュとの接続に加え、フラッシュメモリ装置群と、マスタコントローラとに接続されている。実施形態によっては、高速内部バスの動作を制御する別個のバスコントローラがあってもよい。代替的には、マスタコントローラがバスコントローラの機能を実行するように、マスタコントローラ及びバスコントローラの機能性が結合されてもよい。高速内部バスはこれらのエンティティのいずれの間でも双方向通信を可能にする。バスコントローラ(又はバスコントローラとしての機能を果たすマスタコントローラ)はデータを受信又は転送する装置を独立して選択する。これにより、各装置につき個別に(及びいくつかの例においては連続的に)データフローが制御されることが可能になる。例えば、DRAMコントローラは、バスコントローラがデータをDRAMからフラッシュメモリ装置へと転送している間に、SATAバスからのデータを受け付けることができる。こうした同時動作により、より効率的な動作及びより高い全体のスループットが可能になる。フラッシュ動作には時間的な変動があり得るため、データの最後の同期は、高速バスを管理し論理フラッシュコントローラと協調するマスタ/バスコントローラによって行われる。このようなバランスを調整するアプローチは、SATAインタフェース又は他のインタフェースがSSDへの読み出し又は書き込み時に最大バス速度で作動することを可能にする。
[0041] SSDアーキテクチャは多数のコントローラを用いて内部データフローを管理する。マスタコントローラは演算装置の中央処理装置から命令を受信し、その命令を実行するようソリッドステートフラッシュドライブの動作を管理する。マスタコントローラは、バス、各フラッシュメモリ装置のフラッシュメモリコントローラ、及び論理フラッシュコントローラの動作を指揮する。一実装形態においては、これらのコントローラの各々は、既に述べたように、単純なマイクロプロセッサシステムである。例示的な一例によれば、コントローラ(マスタコントローラ及び任意的なバスコントローラ、DRAMコントローラ、8つのフラッシュコントローラ)の各々は、独自のマイクロプロセッサ、コードを記憶するためのROM、RAM、及びレジスタ群を備えた完全に独立したシステムである。例えば、コントローラは、32キロバイトのRAM及び24キロバイトのROMと組み合わせた6502プロセッサに基づいていてもよい。論理フラッシュコントローラは、DMA転送を制御し論理フラッシュコントローラとインタフェースをとることによって、DRAMへの及びDRAMからのデータ転送を管理する。論理フラッシュコントローラはマスタコントローラの指揮に基づいてDRAM論理フラッシュを管理する。マスタコントローラはDRAMとフラッシュメモリとの間でのデータの転送を管理する。個々のフラッシュコントローラはフラッシュメモリのページモード構造、誤り訂正、及びウェアレベリングを扱う。各フラッシュメモリ装置内のメモリコントローラは高速内部バスとNANDフラッシュダイとの間でのデータの転送を管理する。
[0043] ダイレクトメモリアクセス(DMA)インタフェースは、バスに接続された各コントローラについてデータの転送を管理する。上述のように、DMAはハードウェア実装されたプロトコルであり、コンピュータ内のハードウェアサブシステムがコントローラとは無関係にシステムメモリにアクセスすることを可能にする。コントローラは、転送を開始し、転送の進行中には他の作業を行い、転送が完了するとDMAコントローラからフィードバックを受信することができる。例えば、SATA DMAはSATAバスからDRAM論理フラッシュへのデータの転送を処理する。バスDMAはDRAM論理フラッシュと高速内部バスとの間でのデータの転送を処理する。同様に、高速内部バスとフラッシュメモリ装置の各々との間のDMAインタフェースは、フラッシュメモリ装置へ及びフラッシュメモリ装置からのデータ転送を管理する。
[0046] DRAM論理フラッシュ内のDRAMはコンデンサの配列を利用してデータを記憶する。コンデンサは充電状態又は放電状態のいずれかであり得る。これらの2つの状態はビットの2つの値を表す。コンデンサは電荷をリークするので、コンデンサの状態は、コンデンサの電荷が定期的にリフレッシュされない限り、ゆくゆくはフェードする。このリフレッシュは、約10乃至100ミリ秒間隔で発生する。DRAMは非常に単純で、書き込み/読み出しサイクル摩耗は無視できる程度であり、ダイ上に非常に密にパックされ(packed)得る。また、DRAMは極めて速い書き込み及び読み出し時間を提供する(約10乃至100ナノ秒)。DRAMの動作はDRAMコントローラにより制御される。本例においては、DRAMは、総容量8ギガバイトのダブルデータレート型3シンクロナスダイナミックランダムアクセスメモリ(DDR3 SDRAM)を有する。他の実装形態においては、DRAMはより大きい(例えば16GB:ギガバイト)又はより小さいメモリ容量を有していてもよい。電力管理については、DRAMは800メガヘルツのクロック速度で動作することができる。しかしながら、設計には任意の適切なクロック速度及びDRAM容量が含まれ得る。DRAM論理フラッシュは、フラッシュと同じようにファイルを記憶し、フラッシュコマンドに応答する。また、DRAM論理フラッシュは、ファイル割り当てテーブルを使用し、論理レコードを更新し、ファイルを結合し、SATAバスに取り付けられる。
[0054] 上述のように、高速内部バスは、バスと接続されたこれらのコンポーネントのいずれとの間でも双方向通信可能である。一例においては、マスタコントローラは、高速内部バスを介して、データを個々にメモリコントローラに向ける。フラッシュへの書き込み転送を実行するために、論理フラッシュコントローラ/インタフェースはDRAM論理フラッシュを高速内部バスに接続し、DRAM DMAを用いて指定されたファイルの場所への転送を行う。この技術を利用して、データは、CPUからDRAM論理フラッシュを通じてフラッシュメモリへと直接転送され得る。例えば、高速内部バスは8ビット幅で、少なくとも毎秒400メガバイト(MB)の速度で動作可能であってもよい。400メガヘルツで(又はそれを上回って)動作する8ビットバスを介するデータ転送レートは、毎秒約400メガバイトであろう。
[0055] 図2に関して上述したように、各フラッシュメモリ装置はメモリコントローラと、フラッシュメモリを構成する多数のNANDフラッシュダイとを含む。フラッシュメモリはセクタ、ページ、ブロック、及びプレーンに分けられる。本例においては、セクタは約512バイトで、ヘッダ及び誤り訂正符号(ECC)情報のための追加空間を備えている。他の実装形態においては、セクタはもっと大きくてもよい。ページはセクタの集合であり、ブロックはページの集合であり、プレーンはページを収集したものである。一例においては、ページは、データ用の8192バイトと、ヘッダ情報用の追加空間とを含む。ブロックは256ページの集合であってもよく、プレーンは2096ブロックの集合である。装置は任意の数のプレーンを含み得る。例えば、32ギガバイトの装置は2プレーン又は8,192ブロックを含み得る。256ギガバイトの装置は16プレーン又は65,536ブロックを含み得る。一般的に、あるセクタにおいて復元不可能又は修理不可能なフラッシュデータエラーが発生すると、ブロック全体が不良であるとしてマークされる。しかしながら、ページモードコントローラを用いれば、問題となっているページのみが不良であるとしてマークされ、マップされる。これは、チャールズ・I・ペドルの米国特許第8,122,319号にさらに説明されている。同文献は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[0066] 図4は、CPUメモリと、DRAM論理フラッシュと、フラッシュメモリとの間でのデータの転送に用いられる様々な方法の要旨を示す図である。データを転送するための各方法を、図面及び下記の説明において詳細に述べる。
[0081] 通常動作時、CPUは、一般的なハードドライブにデータを書き込むために用いるであろうものと同一のプロトコルを用いてSSDにファイルを書き込む。例えば、CPUは、論理レコードを用いたSSDへの書き込み及び読み出しの技術を利用してもよい。SSDドライブの内部動作はCPUの動作とは無関係であり、CPUから隠されている。上述のように、SSDドライブはCPUからのデータを受け付けるが、内部ではそのデータを、NANDフラッシュメモリの速度及び寿命の制限を克服する独自の手法で管理及び記憶する。しかしながら、SSDドライブは、SSDドライブとCPUとの間のインタフェースを、CPUには完全にハードドライブ又は通常のフラッシュドライブへの書き込みを行っているように見えるように制御する。したがって、SSDは、種々の演算装置のいずれにおいても使用可能なプラグアンドプレイメモリ記憶装置であり、優れたデータ転送レート、長寿命、及び低消費電力を透過的に提供する。
[0093] 図6Aは演算装置における読み出し動作の図である。上述のように、CPUはSATAバス及びSATA DMAを介してDRAM論理フラッシュと直接通信しデータを取得する。読み出しコマンドを受信すると、マスタコントローラは、そのデータがDRAM論理フラッシュに記憶されているか否かを判断する。記憶されていれば、そのデータはDRAM論理フラッシュからCPUに送信される。記憶されていなければ、マスタコントローラは、フラッシュメモリモジュールのどこに記憶されているのかを判断してそのデータを取得する。多くの場合、データは複数のフラッシュメモリモジュール及び各モジュール内の複数のダイにまたがって配置され得る。したがって、データファイルは、複数の独立コントローラを用いて複数のダイからデータを同時に読み出すことにより、迅速に取得され得る。
[0097] 図7は、システム状態のスナップショットを記憶するための例示的な方法のフローチャートである。上述のように、DRAM論理フラッシュをSSDに内蔵することにより、システム「スナップショット」及び他の頻繁な書き込み動作が、フラッシュメモリの寿命に悪影響を及ぼすことなくオペレーティングシステムによって実行されることが可能になる。スナップショットは論理レコードとしては転送/記憶されない。図4に関して上述したように、スナップショットの記憶及び取得には特別なパスが別個の命令とともに用いられる。スナップショットはDRAM論理フラッシュのスナップショット領域に記憶され、パワーダウン時にのみフラッシュメモリに転送される。スナップショットは論理レコードを用いては記憶されない。その代わりに、スナップショットレコードと呼ばれるテーブルが用いられる。スナップショットの記憶及び取得には、特別なパスが特別な命令とともに用いられる。スナップショットの管理には別個のパス及び命令が用いられるため、スナップショットは、論理レコードを用いる通常のデータストリームを妨げることなく保存されることができる。スナップショットのほとんどは不揮発性フラッシュメモリ上に永久的に記憶されるのではなく、DRAM論理フラッシュに一時的に記憶される。演算装置がシャットダウンされたり電源を喪失した場合には、選択されたスナップショットがDRAM論理フラッシュからフラッシュメモリに転送される。この転送及び復元プロセスは、オペレーティングシステムにより調整される。
[00101] 図8はファストロード動作のための例示的な方法(800)のフローチャートである。製造/設定中、プログラムはSSD内のフラッシュメモリの保護されたプログラム領域の記憶部に記憶される。ユーザは保護されたプログラム領域には直接アクセスできない(805)。ユーザが特定のプログラムを使用する適切な許可を得ると、そのプログラムが記憶部から保護されたプログラム領域のアクティブ部に転送される(810)。
[00105] 図9は、マシンがオフになったとき又は電源を喪失したときにDRAM論理フラッシュに記憶されているデータを不揮発性フラッシュメモリに保存するための例示的な方法(700)のフローチャートである。電源コンデンサ回路又は他のエネルギ貯蔵装置もSSD内に備えられ得る。エネルギ貯蔵装置は、揮発性DRAMメモリに記憶されているすべてのデータを不揮発性NANDフラッシュメモリに書き込むのに十分なエネルギを貯蔵する(ステップ905)。SSDへの停電があると、電源内のセンサがパワーダウン貯蔵動作を開始する。また、パワーダウン貯蔵動作はユーザ又はオペレーティングシステムによりトリガされてもよい(ステップ910)。パワーダウン貯蔵動作中、電源コンデンサからのエネルギは、DRAMをリフレッシュしてデータを維持し、コントローラを操作し、データをメモリコントローラに転送し、そのデータをNANDフラッシュメモリに書き込むために使用される。マスタコントローラはデータパスをセットアップし、DRAMコントローラは内部バスを介してメモリコントローラへのデータの送信を開始する。データは全速で各メモリモジュールに書き込まれる。各データファイルは、そのファイルをパワーダウン貯蔵動作の一部として識別するヘッダを含む(ステップ915)。データの各セグメントは、ダンプ及び復元プログラムが論理フラッシュデータをまったく保存されたとおりに修復することを可能にする論理レコードフラグを含む。8つのフラッシュメモリコントローラの各々は自身の論理レコードフラグを監視する。フラッシュコントローラは、自身の論理レコードフラグを識別すると、それに続くデータをフラッシュメモリに記憶する(ステップ920)。ダンプはフラッシュメモリ全体を順にロードするので、消去サイクルは存在せず、書き込み速度は毎秒300MBに近くなり得る。理論的には、8GBのDRAMメモリの全部が24秒でフラッシュにダンプされることが可能である。DRAM論理フラッシュが完全にいっぱいではないか、又は変更されていないファイルを含む場合には、転送時間は顕著に少なくなり得る。エネルギ貯蔵装置は、DRAM論理フラッシュ内のすべてのデータをフラッシュメモリに全速でデータ転送するためのSSDドライブへの電力を維持するよう設計された容量性電源回路を有する。
[00110] 図10は、DRAM論理フラッシュに記憶された誤処理データファイルを復元するための例示的な方法(1000)のフローチャートである。例えば、ユーザは、ファイルを適切に保存することなくうっかり閉じてしまうかもしれない。CPUはSSDに、そのファイルを削除するよう命令を送信する(1005)。
[00112] つまり、上述の例示的なSSDアーキテクチャは、ハードディスクドライブに代わるプラグアンドプレイ式の代替案を提供するものである。フラッシュメモリがその有限の消去/書き込みサイクル数にもかかわらず不揮発性記憶装置として効果的に用いられることを可能にする多数の原理を上述した。DRAM論理フラッシュの利用は、フラッシュの挙動を真似し、すべてのフラッシュコマンドが最大インタフェース速度で処理されることを可能にするとともに、NANDフラッシュメモリへの書き込みを最小化する。システムプロセッサに関して言えば、システムプロセッサは常にSSD内のフラッシュメモリに書き込みを行っている。しかし、システムプロセッサが書き込みを行っているのは、論理フラッシュとして機能するがNANDフラッシュメモリの寿命やアドレス指定という制限のないDRAMである。DRAM論理フラッシュはフラッシュと同じようにファイルを記憶し、フラッシュコマンドに応答する。さらに、DRAM論理フラッシュはFATテーブルを使用し、論理レコードを更新し、ファイルを結合し、SATAバスに取り付けられる。DRAM論理フラッシュは事実上無限数の書き込み/読み出しサイクルを有するため、システムプロセッサ及びオペレーティングシステムは所望の限り多くの更新及びスナップショットを記憶できる。また、DRAM論理フラッシュはデータの読み出し及び書き込みの両方において極めて速い。SSDは、外部電源が遮断された場合にDRAM論理フラッシュに記憶されたデータコンテンツ全体をフラッシュメモリに移動させるのに十分な電力を貯蔵する。
Claims (19)
- システムバスを介して中央処理装置に直接アクセス可能なDRAM論理フラッシュと、
前記DRAM論理フラッシュと内部バスで接続され、前記中央処理装置に直接アクセス不可能なフラッシュメモリと、
前記DRAM論理フラッシュと前記フラッシュメモリとの間で送信されるデータを制御するマスタコントローラと、
を備えたソリッドステートドライブにおいて、
システムバスが、前記フラッシュメモリではなく前記DRAM論理フラッシュに読み出し及び書き込みを行い、
前記DRAM論理フラッシュはNANDフラッシュと同じようにファイルを記憶することによりフラッシュメモリを真似し、フラッシュコマンドに応答し、
前記マスタコントローラが、前記DRAM論理フラッシュの記憶容量が大部分消費されたと判断された場合に、前記DRAM論理フラッシュから前記フラッシュメモリにデータを書き込む、ドライブ。 - 前記ドライブへのフラッシュ書き込みは、前記フラッシュメモリに全て書き込まれるとは限らない、請求項1のドライブ。
- 前記ソリッドステートドライブが、システムのプロセッサにより出されるコマンドとは無関係の所定のポイントで、前記DRAM論理フラッシュから前記フラッシュメモリにデータを書き込む、請求項1のドライブ。
- 前記DRAM論理フラッシュはFATテーブルを使用し、論理レコードを更新し、ファイルを結合し、SATAバスに直接接続することによってフラッシュメモリを真似する、請求項1のドライブ。
- 前記ソリッドステートドライブへの外部電源が遮断された場合に前記DRAM論理フラッシュに記憶されたデータコンテンツをフラッシュメモリに移動させるのに十分な電力を貯蔵するエネルギ貯蔵装置をさらに備える、請求項1のドライブ。
- 前記DRAM論理フラッシュがすべてのフラッシュコマンドを最大インタフェース速度で実行する、請求項1のドライブ。
- 前記DRAM論理フラッシュがプログラムトレースポイント及び動作スナップショットを記憶し、前記フラッシュメモリへの書き込みを最小化する、請求項1のドライブ。
- 前記ソリッドステートドライブが、どんなパワーダウンについても、取り付けられた演算装置の最後の状態の完全な復元を提供するよう構成されている、請求項1のドライブ。
- 前記NANDフラッシュのページが誤りを有するものとして個々に識別されブロックから除去される一方で、前記ブロック内の他のページは使用され続ける、請求項1のドライブ。
- 前記フラッシュメモリがマルチレベルセルNANDフラッシュを備えており、誤りを有するものとしてページを個々に識別し前記ページをブロックから除去する一方で前記ブロック内の他のページが使用され続けることが、前記フラッシュメモリの寿命を、前記ブロック内のページにおいて誤りが検出された場合に前記ブロック全体を除去するフラッシュメモリの少なくとも10倍増大させる、請求項9のドライブ。
- すべてのデータが、前記データが前記フラッシュメモリに正しく書き込まれるまで前記DRAM論理フラッシュ内に保持される、請求項1のドライブ。
- 前記DRAM論理フラッシュへの独立した読み出し及び書き込み動作のための高速DMAをさらに備える、請求項1のドライブ。
- 高速内部バスをさらに備え、前記DRAM論理フラッシュ及び前記フラッシュメモリが別々に前記高速内部バスに接続され、前記フラッシュメモリが別々のモジュールに分けられ、各モジュールが前記高速内部バスと独立してインタフェースをとるよう構成された異なるマイクロプロセッサにより制御される、請求項1のドライブ。
- 前記DRAM論理フラッシュが、前記フラッシュメモリへのすべての転送を記憶し前記転送を選択的に保持することによりフラッシュメモリを真似して、前記フラッシュメモリの書き込み摩耗を最小化する、請求項1のドライブ。
- マスタマイクロプロセッサが前記ソリッドステートドライブの外部の中央処理装置からコマンドを受信し、前記マスタマイクロプロセッサがデータ転送を直接管理することなく他のマイクロプロセッサにサブコマンドを送信することによって前記コマンドの実行を制御し、各マイクロプロセッサが独立して動作する、請求項1のドライブ。
- 別々のフラッシュメモリモジュールが並列で書き込まれ得るように、各々が前記別々のフラッシュメモリモジュール内にある複数の独立したフラッシュコントローラをさらに備える、請求項1のドライブ。
- 前記フラッシュメモリモジュールの各々が、
マイクロプロセッサと、
フラッシュメモリと、
前記マイクロプロセッサ及びフラッシュメモリに直接アクセス可能なメモリバッファと、
前記メモリバッファにデータを直接書き込むためのインタフェースと、
前記メモリバッファをヌル状態への遷移により外部バスと内部バスとの間で切り替えるためのバッファ型スイッチと、
を備える、請求項16のドライブ。 - 前記DRAM論理フラッシュが少なくとも論理レコードによりインデックス化されたデータ転送及び論理レコードによりインデックス化されていないデータ転送のうち一方のデータ転送モードで動作するよう構成されている、請求項1のドライブ。
- 前記DRAM論理フラッシュに書き込まれたデータの一部が前記フラッシュメモリには書き込まれない、請求項18のドライブ。
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