闪存存储设备以及闪存存储系统的详解

闪存设备

闪存设备的内部结构包含芯片、芯片控制器、存储处理器、缓存、控制器内存以及接口。目前主流的接口包括 UFS、SATA、PCIe 等

闪存内部结构

闪存存储系统

考虑的问题：

1. 传统的数据库设计是否适用高速的 SSD 呢？固态存储数据库设计

2. 传统的文件系统设计是否能够高效管理 SSD 呢？固态存储文件系统（F2FS）

3. 传统的调度器是否能够充分利用 SSD 呢？固态存储调度器（多队列）

4. 传统的系统架构是否适合 SSD 呢？固态存储系统存储架构

并行优化设计

接着，石亮教授介绍了团队研究的三份工作：1）基于闪存访问冲突最小化的并行优化设计

2）基于芯片空闲时间的垃圾回收导致访问冲突优化策略

3）基于闪存系统并行性最大化的性能优化设计

基于闪存访问冲突最小化的并行优化设计

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

问题：介绍闪存中存在的芯片利用率严重偏低问题，也就是闪存芯片同时被访问的数量不高，这主要是由 I/O 请求之间的访问冲突引起的。

方案：石亮教授介绍了团队发表的一篇论文中的解决方案 Parallel Issue Queue（PIQ），旨在通过调度的方式最大程度地减少 I/O 请求之间的访问冲突。

PIQ 将没有冲突的 I/O 请求调度到同一批次中，将有冲突的 I / O 请求调度到不同的批次中。因此，通过利用 SSD 的并行性，可以同时满足一批中的多个 I/O 请求。

基于芯片空闲时间的垃圾回收导致访问冲突优化策略

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

问题：由于闪存的非就地更新特征，内部将频繁执行垃圾回收操作来回收无效页面，当频繁触发内部活动时，主机 I/O 性能将因它们之间的访问冲突而受到严重影响。

方案：为了改善垃圾回收产生的访问冲突引起的性能下降问题，石亮教授介绍了论文中的解决方法，提出了一种新的访问冲突最小化方案。介绍通过利用 SSD 的多个芯片的空闲时间来调度内部活动引发的操作，以最大程度地减少访问冲突。

该方法通过两个步骤实现：首先，将内部活动访问的数据读取到控制器；其次，通过在内部活动期间利用空闲芯片，将内部活动访问的数据写回到这些空闲芯片。

基于闪存系统并行性最大化的性能优化设计

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

问题：闪存由多级并行性组成，包括 channel，chip，die 和 plane。在这些并行级别中，plane 级并行性具有最严格的限制。只能并行处理在不同 plane 中访问相同地址的相同类型的操作。plane 级并行性还没有得到很好的利用，应该进一步改善。

方案：在这项工作中，石亮教授介绍了一个从 plane 到 die 的并行优化方法，以通过智能地满足严格的限制来利用 plane 级并行性。