基于NVMe接口的三维闪存固态盘固件研究

摘要

NAND Flash的高密度、大容量、非易失等特性，使其在存储领域得到广泛应用。NVMe(Non-VolatileMemory express)接口具有带宽高、读写速度快、支持多队列等特点，需要硬件、固件和软件层相互协作配合，提升NAND Flash并行性及其性能。三维闪存堆叠技术的出现，进一步提升了NAND Flash的存储密度与存储容量，却带来更严重相邻页编程干扰问题。现有工作在MTD(Memory Technology Device)驱动层提出交错编程算法，减少编程干扰对数据的影响，但空间利用率较低，且在空闲空间低时，算法效果不佳。 针对三维闪存相邻页编程干扰严重的问题，在设备固件层设计实现了顺序交错混合闪存转换层算法(Sequence and Interlace Hybrid FTL，SIH-FTL)。提出细拆物理块和干扰检测策略，提高空间利用率并进一步降低编程干扰；提出多级队列冷热数据处理策略，将不同热度数据分配到合适的队列编程，冷数据采用顺序编程方式，进一步提升块利用率；提出高页优先迁移策略，降低高页受到的编程干扰。设计实现了NVMe固件，使设备支持NVMe接口。 在固态盘模拟器上对不同负载进行测试，与现有的算法相比，SIH-FTL算法平均能够减少10%的读干扰错误和25%的写干扰错误。测试结果表明多级队列冷热数据处理策略对降低写干扰效果显著，约减少30%的写干扰错误；高页优先迁移策略对降低读干扰效果显著，约减少17%的读干扰错误。通过在实验室自主开发的固态盘硬件平台上实测，NVMe固件程序能够和通用NVMe驱动通讯并使设备正常工作。

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