TWM520669U

TWM520669U - 儲存裝置

Info

Publication number: TWM520669U
Application number: TW104216835U
Authority: TW
Inventors: 傅子瑜
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-04-21

Description

儲存裝置

本創作係有關於儲存裝置，特別是有關於支援NVMe標準之電源控制的儲存裝置。

PCIe固態硬碟是未來儲存裝置的趨勢，但對應的高功耗問題也讓多數使用者卻步，因為PCIe固態硬碟的功率動輒好幾瓦，甚至高於系統的CPU功耗(以intel Core i為例，Y系列5W、U系列15W)。新型儲存裝置控制器之快捷非揮發性記憶體(NVMe)標準係提供了傳統進階主機控制器介面(Advance Host Controller Interface，AHCI)無法達成的電源管理機制。因為AHCI僅是一個主機匯流排配接器(Host Bus Adapter，HBA)，因此主要耗電還是在其底下的SATA裝置。然而，這些裝置因為透過SATA傳輸介面，無法去控制其低功耗狀態(D state)，即系統端只能控制AHCI之主機匯流排配接器的低功耗狀態。此時，只能藉由SATA介面的連結電源管理(SATA Linkage)去限制其電源。例如連結進入熟睡(Slumber)時，SATA裝置耗電必須進入低功耗模式，然而這個低功耗模式於各家控制器廠商並無硬性規定，有些廠商可能會為了效能而把多數功能維持開啟，導致裝置進入熟睡(Slumber)時耗電還是降不下去。然而 NVMe是一個將主機匯流排配接器與固態硬碟控制器結合再一起的架構，且NVMe本身也有電源狀態(power state)的功能供使用者來做切換，因此在電源管理上會比AHCI的SATA裝置有效許多。另外更提供了讓裝置在閒置時自發性的切換電源狀態的功能，此即稱為自動電源狀態轉換(Autonomous Power State Transition，APST)，不須透過主機去控制電源狀態以節省更多的功耗。以往只能節省聯結(linkage)的電，APST則是專門控制控制器電路上的電，如此一來電腦裝置就能在系統閒置時將多餘的熱散掉。

自動電源狀態轉換(APST)需要由主機去填入一個作用表格，如閒置幾秒進入哪個省電狀態，其主要目的是為了讓電腦裝置的效能不會被省電模式嚴重影響。舉例來說，從深層的省電模式喚醒會需要花費更多的時間，所以閒置時裝置也不能一口氣就進入最深層的睡眠，以防其他的存取命令馬上就到來，但又同時能達成整體省電的效果。然而，目前NVMe的省電功能還處於不成熟的階段，工業規範雖然訂立了這個功能，但卻沒有明確指出該如何使用這項功能，保留空間讓軟體端去做更多的發揮。有鑑於此，需要一種儲存裝置以解決上述問題。

本創作係提供一種儲存裝置，包括：一非揮發性記憶體；以及一記憶體控制器，用以控制該非揮發性記憶體之存取，其中，該記憶體控制器係依據於該儲存裝置之一動態I/O 存取統計表以決定該儲存裝置操作於一工作狀態、一第一非工作狀態、以及一第二非工作狀態之間的比例，其中該儲存裝置在該第二非工作狀態之功耗係低於在該第一非工作狀態之功耗。

100‧‧‧電腦系統

110‧‧‧處理器

120‧‧‧系統記憶體

130‧‧‧儲存裝置

131‧‧‧記憶體控制器

132‧‧‧非揮發性記憶體

第1圖係顯示依據本創作一實施例中之電腦系統的方塊圖。

第2圖係顯示依據本創作一實施例中之I/O時間間隔的分佈圖。

為使本創作之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係顯示依據本創作一實施例中之電腦系統的方塊圖。在一實施例中，電腦系統100係包括一處理器110、一系統記憶體120、一儲存裝置130。處理器110例如是一中央處理器(central processing unit，CPU)，且系統記憶體120例如是一動態隨機存取記憶體(DRAM)。儲存裝置130包括一記憶體控制器131、一非揮發性記憶體132、及一暫存器組133，其中非揮發性記憶體132例如是快閃記憶體(flash memory)或固態硬碟(solid-state disk)。記憶體控制器131例如可支援快捷非揮發性記憶體(Non-volatile Memory Express，NVMe)標準。NVME標準是一種改善傳統進階主機控制器介面(Advanced Host Controller Interface，AHCI)的新型儲存裝置控制器，其能改善系統資源的使用，例如使用系統多核心下達指令、減下不必要的暫存器控制等等。

當處理器110欲寫入資料至儲存裝置130時，處理器110係將待寫入之資料由系統記憶體120透過匯流排(例如是SATA或PCI Express匯流排)傳輸至記憶體控制器131。記憶體控制器131則直接透過快閃記憶體轉譯層(flash translation layer)資料將資料先寫入非揮發性記憶體132(例如是固態硬碟)。暫存器組133係儲存一動態休眠控制表134，且記憶體控制器131可依據動態I/O統計表134以控制儲存裝置130之電源狀態。

儲存裝置130之電源狀態係包括一工作狀態PS0、第一非工作狀態PS1、及第二非工作狀態PS2。在工作狀態PS0中，儲存裝置需維持運作，因此其待機功率約可達1瓦特(W)。在第一非工作狀態PS1中，儲存裝置130係處於一淺層低功耗狀態，此時儲存裝置130之待機功率約可維持在50mW。在第二非工作狀態PS2中，儲存裝置130係處於一深層低功耗狀態，此時儲存裝置130之待機功率約可維持在2mW。上述之待機功耗僅用於說明，熟習本創作領域之技術人員當可了解上述待機功耗之數值可視實際情況而有所變化。

當儲存裝置130處於工作狀態PS0時，其喚醒時間較快，且記憶體控制器131僅需將非揮發性記憶體132之連結重新建立即可，例如僅需要5μs的回復時間。若儲存裝置130處於第一非工作狀態PS1時，則記憶體控制器131將非揮發性記憶體 132喚醒並回復之可傳輸資料之工作狀態之回復時間可達到5ms。若儲存裝置130處於第二非工作狀態PS2時，則記憶體控制器131將非揮發性記憶體132喚醒並回復之可傳輸資料之工作狀態之回復時間可達到22ms或更長的時間。

因為各個使用者對於儲存裝置130之使用情況不盡相同，設計人員係可利用程式統計不同使用者之間的I/O動作的時間間隔(時間差)，在紀錄一段時間後即可獲得如表1所示之I/O時間差統計表：

當統計出如表1之表格後，即可得知在儲存裝置130之I/O時間差的分佈情況。當I/O時間差之數值較大時，儲存裝置130就會進入第一非工作狀態PS1或第二非工作狀態PS2。

更進一步而言，當電腦系統100為筆記型電腦且接上AC電源時，往往就不需考慮節能模式，而轉為以效能為主的工作模式。若是電腦系統100為筆記型電腦且使用其電池電源時，則此時降低電腦系統100之功耗則往往成為重要的考量，意即在操作時往往會以省電節能為目標。

第2圖係顯示依據本創作一實施例中之I/O時間間隔的分佈圖。舉例來說，一般使用者的I/O時間間隔(即I/O時間差，或I/O閒置時間)之分佈如曲線210所示，此時記憶體控制器131會依據動態I/O統計表134計算一組閒置時間下限值ITPT1及一閒置時間上限值ITPT2，使得90%的I/O時間差落在工作狀態PS0，5%的I/O時間差落在第一非工作狀態PS1，5%的I/O時間差落在第二非工作狀態PS2。

當使用者利用電腦系統100玩遊戲、上網下載資料、或是記憶體控制器131的暫存器(未繪示)滿了之後，會得到一個新的I/O時間差分佈曲線，如曲線220，其表示在這段時間內的I/O操作是比較頻繁的。此時，記憶體控制器131會再重新依據更新後的動態I/O統計表134重新計算一組閒置時間下限值ITPT1’及一閒置時間上限值ITPT2’，藉以讓90%的I/O時間差仍然落在工作狀態PS0。更進一步而言，就算使用者使用電腦，I/O操作也變得相對頻繁，裝置能進省電模式的時間也相對地變長，如此電腦系統100則能達到更好的耗電及效能的平衡。

上述實施例係以90%的I/O時間差落在工作狀態PS0，5%的I/O時間差落在第一非工作狀態PS1，5%的I/O時間差落在第二非工作狀態PS2為例，而本創作亦可針對所有的使用者情境去進行設計。例如當使用者將電腦系統100接上AC電源時，因為沒有電池電量消耗的考量，因此第二非工作狀態PS2是多餘的。此時，第一非工作狀態PS1所產生的熱能就足以靠環境溫度去做排除，而不需用到第二非工作狀態PS2這種深度省電模式。記憶體控制器131在此時則可將I/O時間差之分佈改為95%的I/O時間差在工作狀態PS0，5%的I/O時間差在第一非工作狀態PS1，藉以讓電腦系統100獲得較好的效能。當電腦系統100進入連結待機(connected standby)模式時，為了取得最好的電池使用壽命，記憶體控制器131則可不再依據動態I/O統計表134進行設定，而改由系統商預先設定之調整值進行操作。

在一實施例中，使用者可能不注重電腦系統100之節省功耗，反而是著重在電腦系統100的效能及散熱。舉例來說，如表2最右一欄所示，若使用Intel快速儲存技術(rapid storage technology)之預設設定，儲存裝置130之存取速度僅有237MB/s，此與市面上一般的固態硬碟的存取速度差異不大。因為第二非工作狀態PS2所造成的I/O延遲時間太長，因此本創作的高效能模式下則不考慮使用第二非工作狀態PS2。若使用高效能2的高效能設定，即關閉第二非工作狀態PS2，並將進入第一非工作狀態PS1的閒置時間拉長到500ms，儲存裝置130之效能則有相當大幅度的改善，例如其存取速度可達到305.34MB/s，同時功耗也增加到275.4mW。若使用高效能1的高效能設定，即關閉第一非工作狀態PS1及第二非工作狀態PS2，藉以讓儲存裝置130一直停留在工作狀態PS0。此時，儲存裝置130之存取速度可達到349.41MB/s，同時其功耗亦增加到1100mW。然而，當儲存裝置130之功耗達到1100mW時，可能無法完成藉由系統本身的散熱能力去解決。因此，本創作更進一步決定在第一非工作狀態PS1的閒置時間，以取得效能及散熱之間的平衡。

在散熱良好的室內環境中，1100mW之功耗會讓儲存裝置130的溫度約停留在40℃。然而，儲存裝置130係安裝於電腦系統100(例如是筆記型電腦)且使用了AC電源中，若電腦系統100之散熱能力無法將熱排除，即系統溫度則會逐漸上升。當系統溫度達到一臨界值時(例如45℃)，則記憶體控制器131則需要調整進入第一非工作狀態PS1的閒置時間，藉以讓儲存裝置130可在進入第一非工作狀態PS1時將熱排除。

更進一步而言，記憶體控制器131係可透過一設定功能(set feature)指令，將APST表格重新調整。此外，記憶體控制器131係可偵測儲存裝置130之溫度。當電腦系統100使用AC電源時，記憶體控制器131可讓進入第一非工作狀態PS1之閒置時間隨著溫度提高，即溫度愈高，則愈快進入第一非工作狀態PS1。如此一來，則可有效地讓儲存裝置130的溫度下降。儲存裝置130之溫度與進入第一非工作狀態PS1之閒置時間的關係如表3所示。

本創作雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。