JP7667613B2 - フラッシュメモリに基づくｓｓｄの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法 - Google Patents

Description

本発明は、フラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法に関し、より詳しくは、最初作成時点から無効化時点までデータが作成された複数個のページがガーベジコレクション（Ｇａｒｂａｇｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ；ＧＣ）により任意のブロックから他のブロックへ移動される移動回数によって当該データが寿命別に分類されるフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法に関する。

ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）は、複数のＮＡＮＤフラッシュメモリが並列に接続して構成されたストレージ装置である。ＳＳＤは、機械的に動作するＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）と異なり半導体基盤で動作するため、データ伝送速度とランダムな入出力の側面で性能が向上し、消費電力を下げることによって、最近サーバ、デスクトップ、ノート型コンピュータのストレージ装置として活用率がますます高まってきている。

ＳＳＤを構成しているＮＡＮＤフラッシュメモリのクリティカルな特性としては、それぞれのセル毎に書き込み／消去回数に制限があり、元の保存場所への上書きができない。ＳＬＣ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｌｅｖｅｌ Ｃｅｌｌ）は、約１０万回程度の回数制限、ＭＬＣ（Ｍｕｌｔｉ Ｌｅｖｅｌ Ｃｅｌｌ）は、約１万回の回数制限、ＴＬＣ（Ｔｒｉｐｌｅ Ｌｅｖｅｌ Ｃｅｌｌ）は、約１千回の制限がある。もし、制限された回数を超えると、当該セルは正常な動作が行われない。また、ＮＡＮＤフラッシュメモリは、ＨＤＤとは異なり元の保存場所への上書きができないため、空きページにのみ書き込み演算が可能である。

ＳＳＤでの有効データと無効データは、ＳＳＤの書き込み・消去演算で生成される。有効データの発生は、ＳＳＤに入力データが保存されると、書き込み演算によって生成され、無効データは、有効データの更新および削除で発生する。無効データは、ガーベジコレクション（Ｇａｒｂａｇｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ；ＧＣ）が発生して完全に消去されるまで維持され、ガーベジコレクションのプロセス後に無効データが占めた空間は空き空間となる。

ここで、ガーベジコレクション（ＧＣ）は、ＮＡＮＤフラッシュメモリにおけるブロックの無効データを消去演算して空きブロックにするプロセスである。ガーベジコレクション（ＧＣ）演算は、ＳＳＤの元の保存場所への上書きができないという特性を補完するが、速度が遅い消去（Ｅｒａｓｅ）演算のため、ＳＳＤの入出力（Ｉ／Ｏ）の速度を遅くする原因である。

近年、ＳＳＤの性能改善のために、ガーベジコレクション（ＧＣ）を解決するためにＨｏｔ／Ｃｏｌｄまたは意味論的分類方法に関する研究が行われたが、前記分類方法は、データ分類のための追加データ構造又はインターフェースの修正が必要な限界がある。したがって、別途のメモリ消費や指定されたインターフェースがなくてもデータを分類してガーベッジコレクション（ＧＣ）の問題を解決することができる技術が必要な実情である。

本発明は、前記したような問題点を解決するためになされたもので、ガーベッジコレクション（ＧＣ）の消去演算の速度を向上させることができるとともにＳＳＤの入出力（Ｉ／Ｏ）の速度が向上して、ＳＳＤの性能を改善することができるように最初作成時点から無効化時点までデータが作成された複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動される前記移動回数によって当該データが寿命別に分類されるフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、別途のメモリ消費や指定されたインターフェースなしに、ＳＳＤのソフトウェアレベルで実現し得るように複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックに移動されるとともに、前記複数個のページの一側に備えられた追加空間であるＯＯＢ部に移動回数が保存されるフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法は、コンピュータシステムに搭載されたソフトウェアによって、フラッシュメモリに基づくＳＳＤにおいて最初作成時点から消去または上書きされる無効化時点までデータが作成された複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動される移動回数がそれぞれ追跡される移動回数追跡段階と、前記ソフトウェアにより、前記複数個のページの中で前記移動回数が同一の少なくとも１個のページが、１つ以上のブロックにグループ化されて分類群が形成される分類群形成段階と、を含む。

以上のように本発明によれば、最初作成時点から無効化時点までデータが作成された複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動される移動回数によって当該データが寿命別に分類されることによって、コールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）を除くデータが作成されたページを含むブロックが別途のコピーのプロセスなしに消去処理されることができる。これにより、ガーベジコレクション（ＧＣ）の消去演算の速度を向上させることができるとともに、ＳＳＤの入出力（Ｉ／Ｏ）の速度が向上して、ＳＳＤの性能を改善することができるという効果がある。

また、本発明は、複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックに移動されるとともに、前記複数個のページの一側に備えられた追加空間であるＯＯＢ部に前記移動回数が保存されるように備えることにより、別途のメモリ消費や指定されたインターフェースなしに、ＳＳＤのソフトウェアレベルで具現することができるという効果がある。

本発明のフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法のフローチャートである。 従来のガーベッジコレクション（ＧＣ）を示す図である。 従来のデータが分類されていない場合（ａ）と、本発明の一実施形態に係るものであって、移動回数によってデータが寿命別に分類された場合（ｂ）とを示した図である。 本発明の一実施形態に係る分類群形成段階を示す図である。

本明細書で使用される用語は、本発明での機能を考慮しながら、できるだけ現在広く使用される一般的な用語を選択したが、これは当業者の意図又は判例、新たな技術の出現などによって変わることができる。また、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、この場合、該当する発明の説明部分で詳細にその意味を記載する。したがって、本発明で使用される用語は、単純な用語の名称ではなく、その用語が持つ意味及び本発明の全般にわたる内容に基づいて定義される。
他に定義されない限り、技術的または科学的な用語を含めてここで用いられる全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使用される辞書上に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈され、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味に解釈されない。

以下、添付の図面を参照して本発明による実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明のフラッシュメモリに基づくＳＳＤ１００の性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法のフローチャートである。図２は、従来のガーベッジコレクション（ＧＣ）を示す図である。図３は、従来のデータが分類されていない場合（ａ）と、本発明の一実施形態に係るものであって、移動回数によってデータが寿命別に分類された場合（ｂ）とを示した図である。図４は、本発明の一実施形態に係る分類群形成段階Ｓ２００を示す図である。

一般に、フラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）は、複数個のページ（ｐａｇｅ）を含むブロック（Ｂｌｏｃｋ）と、複数のブロックを含むプレーン（ｐｌａｎｅ）と、複数のプレーンを含むダイ（Ｄｉｅ）とで構成される。そして、フラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）における、読み出し、書き込みコマンドは、ページ（ｐａｇｅ）単位で遂行されることができることに対し、データ消去は、ページの上位単位であるブロック（Ｂｌｏｃｋ）単位でのみ可能である。

また、一般に、ガーベジコレクション（ＧＣ）は、ブロック消去前にブロック内の内部有効データを含むページを他のブロックに移すプロセスである。より具体的に、図２（ａ）を見れば、ガーベッジコレクション（ＧＣ）が使用されて、既に無効化済みのデータの無効データと、まだ無効化処理されていない有効データがブロック１に一緒に作成されている。ブロック２は、データのない空きページを含んでいる。

ここで、図２（ｂ）を参照すると、前記有効データのみがブロック２にコピーされ、ブロック１でコピー済みの有効データは、無効化処理される。そして、図２（ｃ）を参照すると、ブロック１にすべて無効データのみが含まれているので、ブロック１を再使用できるように、ブロック単位で消去処理する。

ただし、従来のガーベジコレクション（ＧＣ）は、有効データのみで構成されたブロック２に無効化が最も容易な、つまり、より頻繁に更新されるホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）と、コールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）よりも無効化が容易なクールデータ（Ｃｏｏｌ Ｄａｔａ）と、無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）とが、未分類のまま一緒に作成されている。

より具体的に、図３（ａ）に示されたブロック２およびブロック３には、無効化が容易な程度によって、温度で表されたホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）と、クールデータ（Ｃｏｏｌ Ｄａｔａ）と、コールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）とが未分類のまま一緒に作成されており、ホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）およびクールデータ（Ｃｏｏｌ Ｄａｔａ）が全て無効化処理された後、ブロック２とブロック３にコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）がそれぞれ分散されて作成されている。

すなわち、ブロックを再利用するためには、分散されたコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）をブロック２とブロック３のうちの１つにコピーおよびマージする過程が追加されなければならない。これにより、従来のガーベジコレクション（ＧＣ）は、データの無駄なコピーが継続されることにより消去動作が遅くなり、かつＳＳＤの入出力（Ｉ／Ｏ）の速度が遅くなり、ＳＳＤの性能を改善するには限界が存在する。

しかし、本発明は、前記移動回数追跡段階Ｓ１００及び分類群形成段階Ｓ２００によって、結果的に図３（ｂ）のように無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）を含むページのみで構成されたブロック２が形成され、ブロック３は別途の有効データのコピーのプロセスを経ることなく直ちにブロック再利用のための消去処理が可能である。従って、ガーベジコレクション（ＧＣ）の消去演算の速度を向上させることができるとともにＳＳＤ１００の入出力（Ｉ／Ｏ）の速度が向上して、ＳＳＤ１００の性能の改良に顕著な効果がある。

これを具現するにあたり、まず図１を参照すると、本発明のフラッシュメモリに基づくＳＳＤ１００の性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法は、移動回数追跡段階１００と分類群形成段階Ｓ２００とを含む。

本発明は、ファームウェアまたはフラッシュメモリを管理する構成によって、オペレーティングシステム内のソフトウェアによって具現することができる。

より具体的に、前記移動回数追跡段階１００は、コンピュータシステム２００に搭載されたソフトウェア２１０により、フラッシュメモリに基づくＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）１００で最初作成時点から消去または上書きされる無効化時点までデータが作成された複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動される移動回数がそれぞれ追跡される。

ここで、移動回数は、複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックに移動されるとともに、前記複数個のページの一側に備えられた追加空間であるＯＯＢ（Ｏｕｔ－ｏｆ－Ｂａｎｄ）部１１０に保存されることができる。

すなわち、前記最初作成時点に前記移動回数は０であり、複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動されるたびに前記移動回数が１ずつ増加した数字が保存されることができる。例えば、図４を参照すると、灰色に前記複数個のページの一側にそれぞれ備えられた追加空間であるＯＯＢ部１１０が表示されている。また、複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動されるたびに０、１、２、３に１ずつ増加した数字が保存されたことを確認することができる。

次に、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記ソフトウェア２１０によって、前記複数個のページのうち前記移動回数が同一の少なくとも１個のページが、１つ以上のブロックにグループ化されて分類群が形成される。

すなわち、複数個のページの中で前記移動回数が同一の少なくとも１個のページが１つのブロック内で収容可能なページの数だけグループ化されると、残りのページが他のブロックが収容可能なページの数だけさらにグループ化される。これにより、前記移動回数が同一のブロックが一つ以上であり、これらの１つ以上のブロックを分類群に形成することができる。

図４をたとえて説明すると、前記移動回数が０であるページが２０個以上であり、複数のブロックは４個のページのみを収容することができる。従って、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記移動回数が０である４個のページを一つのブロックにグループ化してもよく、このようなブロックを５つ以上形成してもよい。そして、前記移動回数が０である４個のページをそれぞれ含む、５つ以上のブロックを「分類群０」に形成することができる。また、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記移動回数が１である４個のページを一つのブロックにグループ化してもよく、このようなブロックを３つ以上形成してもよい。そして、前記移動回数が１である４個のページをそれぞれ含む、３つ以上のブロックは「分類群１」に形成することができる。

また、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記移動回数が２である６個のページを４つずつ、２つずつグループ化してもよく、これを含むブロックを２つ形成してもよい。そして、前記移動回数が２であるページをそれぞれ含む２つのブロックは「分類群２」に形成することができる。最後に、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記移動回数が３である２個のページを一つのブロックにグループ化してもよく、このようなブロックを１つ形成してもよい。そして、前記移動回数が３であるページを含む１つのブロックは「分類群３」に形成することができる。

ここで、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記ＯＯＢ部１１０がｎビット（ｂｉｔ）単位を基準とすると、２^ｎ個の前記分類群を形成することができ、前記移動回数が２^ｎ－１回以上の前記少なくとも１個のページに作成されたデータを、無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）に分類することができる。ここで、ｎは正の整数である。

例えば、前記ＯＯＢ部１１０が２ビット（ｂｉｔ）単位を基準にすると、４個の分類群を形成することができ、前述したように分類群０、分類群１、分類群２、分類群３を形成することができる。そして、それぞれの分類群は順に移動回数として０、１、２、３を有することができる。また、前記分類群形成段階Ｓ２００は、前記移動回数が３回以上である前記分類群３に含まれたブロック内の少なくとも１個のページに作成されたデータを、無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）に分類することができる。

次に、本発明は、前記ソフトウェア２１０によって、前記移動回数によって前記複数個のページに作成されたデータが分類されるデータ分類段階Ｓ３００をさらに含むことができる。

つまり、前記データ分類段階Ｓ３００は、前記分類群形成段階Ｓ２００から「分類群０’」に形成され、前記移動回数が０である少なくとも１個のページに作成されたデータを、無効化が最も容易なホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）に分類することができる。そして、「分類群１」に形成されて前記移動回数が１である少なくとも１個のページに作成されたデータを、前記ホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）に次いで無効化が容易なウォームデータ（Ｗａｒｍ Ｄａｔａ）に分類することができる。そして、「分類群２」に形成されて前記移動回数が２である少なくとも１個のページに作成されたデータを、ウォームデータ（Ｗａｒｍ Ｄａｔａ）に次いで無効化が容易なクールデータ（Ｃｏｏｌ Ｄａｔａ）に分類することができる。

ただし、前記した分類群は、２ビットを基準に作成したので、前記移動回数によって４個のデータの寿命を温度範囲に比例してデータを分類することができ、さらに、前記ＯＯＢ部１１０が３ビット以上で作成する場合には、少なくとも８個のデータ寿命を温度範囲でさらに細分化してデータを分類することができるので、特定の温度範囲に限定されない。

ここで、データ寿命は、フラッシュメモリ基盤ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）１００で最初作成時点から消去または上書きされる無効化時点までデータが作成された量を指す。すなわち、前記データ寿命が短いほど前記ホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）に近く、無効化が容易なものに属すると言え、データ寿命が長いほど前記コールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）に近く、無効化が容易でないものに属すると言える。

したがって、図３（ｂ）のように本発明は、複数のデータを、無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）のみを含むブロックと、そうでないブロックとに分類することができる。そして本発明は、コールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）を除く、データを含むブロックが、個別のコピーのプロセスなしに消去処理され、前記コールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）のみが有効データで作成され、別途のコピーのプロセスを経ることなく空きページを有するブロックを消去処理することができるという顕著な効果がある。

また、本発明は、複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックに移動されるとともに、前記複数個のページの一側に備えられた追加空間であるＯＯＢ部１１０に前記移動回数が保存されるように備えることにより、別途のメモリ消費や指定されたインターフェースなしに、ＳＳＤ１００のソフトウェアレベルで具現でき、データを前記のように分類してガーベッジコレクション（ＧＣ）の消去演算の速度低下の問題を解決することができるという顕著な効果がある。

以上のように、実施形態を限定された実施例と図面によって説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、前記の記載から様々な修正及び変形が可能である。例えば、開示の技術が、説明された方法とは異なる順序で遂行されるか、および／または説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が説明された方法と異なる形態で結合又は組み合わせられたり、他の構成要素またはその等価物によって代替又は置換されたりしても適切な結果を達成することができる。
したがって、他の具現例、他の実施例及び特許請求の範囲と均等なものも後述する特許請求の範囲の範囲内に属するものである。

Claims (4)

1. コンピュータシステムに搭載されたソフトウェアによって、フラッシュメモリに基づくＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）において、最初作成時点から消去または上書きされる無効化時点までデータが作成された複数個のページがガーベジコレクション（Ｇａｒｂａｇｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ；ＧＣ）により任意のブロックから他のブロックへ移動される移動回数がそれぞれ追跡される移動回数追跡段階と、
   前記ソフトウェアにより、前記複数個のページの中で前記移動回数が同一の少なくとも１個のページが、１つ以上のブロックにグループ化されて分類群が形成される分類群形成段階と、を含み、
   前記移動回数は、
   複数個のページがガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックに移動されるとともに、前記複数個のページの一側に備えられた追加空間であるＯＯＢ（Ｏｕｔ－ｏｆ－Ｂａｎｄ）部に保存される
   ことを特徴とするフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法。
2. 前記分類群形成段階は、
   前記ＯＯＢ部がｎビット（ｂｉｔ）単位を基準とすると、２ｎ個の前記分類群を形成することができ、
   前記移動回数が２^ｎ－１回以上の前記少なくとも１個のページに作成されたデータを、無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）に分類する
   請求項１に記載のフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法。（ここで、ｎは正の整数である。）
3. 前記ソフトウェアにより、前記移動回数によって前記複数個のページに作成されたデータが分類されるデータ分類段階をさらに含む
   請求項１に記載のフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法。
4. 前記移動回数は、
   前記最初の作成時点に０であり、前記ガーベッジコレクション（ＧＣ）によって任意のブロックから他のブロックへ移動されるたびに１ずつ増加され、
   前記データ分類段階は、
   前記移動回数が０である少なくとも１個のページに作成されたデータを、無効化が最も容易なホットデータ（Ｈｏｔ Ｄａｔａ）に分類し、前記移動回数が最も多い少なくとも１個のページに作成されたデータを、無効化が最も容易でないコールドデータ（Ｃｏｌｄ Ｄａｔａ）に分類する
   請求項３に記載のフラッシュメモリに基づくＳＳＤの性能と寿命を改善するためのデータ移動回数による寿命別データ分類方法。

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