閃存存儲設(shè)備以及閃存存儲系統(tǒng)的詳解

閃存設(shè)備

閃存設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含芯片、芯片控制器、存儲處理器、緩存、控制器內(nèi)存以及接口。目前主流的接口包括 UFS、SATA、PCIe 等

閃存內(nèi)部結(jié)構(gòu)

閃存存儲系統(tǒng)

考慮的問題：

1. 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計是否適用高速的 SSD 呢？固態(tài)存儲數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2. 傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)設(shè)計是否能夠高效管理 SSD 呢？固態(tài)存儲文件系統(tǒng)（F2FS）

3. 傳統(tǒng)的調(diào)度器是否能夠充分利用 SSD 呢？固態(tài)存儲調(diào)度器（多隊列）

4. 傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)是否適合 SSD 呢？固態(tài)存儲系統(tǒng)存儲架構(gòu)

并行優(yōu)化設(shè)計

接著，石亮教授介紹了團(tuán)隊研究的三份工作：1）基于閃存訪問沖突最小化的并行優(yōu)化設(shè)計

2）基于芯片空閑時間的垃圾回收導(dǎo)致訪問沖突優(yōu)化策略

3）基于閃存系統(tǒng)并行性最大化的性能優(yōu)化設(shè)計

基于閃存訪問沖突最小化的并行優(yōu)化設(shè)計

Exploiting Parallelism in I/O Scheduling for Access Conflict Minimization in Flash-based Solid State Drives

問題：介紹閃存中存在的芯片利用率嚴(yán)重偏低問題，也就是閃存芯片同時被訪問的數(shù)量不高，這主要是由 I/O 請求之間的訪問沖突引起的。

方案：石亮教授介紹了團(tuán)隊發(fā)表的一篇論文中的解決方案 Parallel Issue Queue（PIQ），旨在通過調(diào)度的方式最大程度地減少 I/O 請求之間的訪問沖突。

PIQ 將沒有沖突的 I/O 請求調(diào)度到同一批次中，將有沖突的 I / O 請求調(diào)度到不同的批次中。因此，通過利用 SSD 的并行性，可以同時滿足一批中的多個 I/O 請求。

基于芯片空閑時間的垃圾回收導(dǎo)致訪問沖突優(yōu)化策略

Exploiting Chip Idleness for Minimized Garbage Collection Induced Chip Access Conflict on Solid State Drives

問題：由于閃存的非就地更新特征，內(nèi)部將頻繁執(zhí)行垃圾回收操作來回收無效頁面，當(dāng)頻繁觸發(fā)內(nèi)部活動時，主機(jī) I/O 性能將因它們之間的訪問沖突而受到嚴(yán)重影響。

方案：為了改善垃圾回收產(chǎn)生的訪問沖突引起的性能下降問題，石亮教授介紹了論文中的解決方法，提出了一種新的訪問沖突最小化方案。介紹通過利用 SSD 的多個芯片的空閑時間來調(diào)度內(nèi)部活動引發(fā)的操作，以最大程度地減少訪問沖突。

該方法通過兩個步驟實現(xiàn)：首先，將內(nèi)部活動訪問的數(shù)據(jù)讀取到控制器；其次，通過在內(nèi)部活動期間利用空閑芯片，將內(nèi)部活動訪問的數(shù)據(jù)寫回到這些空閑芯片。

基于閃存系統(tǒng)并行性最大化的性能優(yōu)化設(shè)計

Parallel all the time：Plane level parallelism exploration for high performance solid state drives

問題：閃存由多級并行性組成，包括 channel，chip，die 和 plane。在這些并行級別中，plane 級并行性具有最嚴(yán)格的限制。只能并行處理在不同 plane 中訪問相同地址的相同類型的操作。plane 級并行性還沒有得到很好的利用，應(yīng)該進(jìn)一步改善。

方案：在這項工作中，石亮教授介紹了一個從 plane 到 die 的并行優(yōu)化方法，以通過智能地滿足嚴(yán)格的限制來利用 plane 級并行性。