SLC与MLC混合SSD

TC 2010 原文链接

SLC 比 MLC 写入快，耗电少，使用寿命长，GC容易
MLC容量大，便宜

为了补充两者的优势，需要混合架构

• HDD混合存储——DCD(Disk Cache Disk) 通过日志记录随机写提高性能

这种新的结构也带来了新的挑战

• 数据放哪里
• 冷热数据如何识别？
• 使用什么样的迁移策略
• 如何实现磨损平衡

物理结构

内部架构

–> 据观察，热数据多为小写入，冷数据多为大写入

• 从图a可以看出，数据写入呈双峰分布，要么是大量小写，要么是大量连续大块写入，中等大小写入较少
• 从图b可以看出，小写(4KB)更新率高，大写更新率低

更新率指的是一个请求中每个块平均被更新的次数，更新率高表示对某些块更新频繁

• 图c图d显示大量块写入次数不超过4096，只有少数块写入频繁

现有方法：LRU、LRU-k、哈希表等 (复杂，需要RAM）

–> 使用简单的分类，认为小写请求大多是热数据，大写是冷数据

1. 通过一个C[i]数组记录每一个请求访问的区块数

其中， i表示2^i如果访问次数不是2的幂次，则记录在附近C[i]

比如 请求访问 333个区块，在2^8(256) 与2^9(512)之间的记录更接近256C里面，即C[8]

文中规定C[]数组为11位，即最大访问区块不超过2^10=1024

2. 通过不断迭代，找出两个聚类中心：i,j
   细节不会展开
   

这样，哪些请求就可以通过i值来确定，即写入热数据

3. 算法会定期更新阈值i，例如，在重新运行前写入1000次

思考：
二分类用Kmeans？ 没必要吧
而且这种分类方法用的2的幂次太粗略了

• 贝叶斯可以用其他方法进行二分类？
• 而且可以用更精细的数组记录，比如100次请求？

实验中i值通常为3，即4KB的小写请求

数据分为有效和无效的数据

所谓无效数据，是指后来的新数据更新

它有k块，指针不断向前移动

一旦头指针和尾指针之间的K块以上，尾指针开始回收数据块

无效块直接回收，有效块复制至MLC

这样做的哲学:如果一个有效块在k次数据写入后没有更新，说明它的数据不够热，应该放入MLC了

这样子对于SLC垃圾回收和磨损均衡是友好的，毕竟是顺序、轮流写入和回收

因为SLC存储的数据很少，没有必要记录每个块的地址
这里不详细说明如何选择。.详细介绍了4节

由于两者的寿命不同，为了实现磨损平衡，需要控制写入

公式没有解释，只需要知道rws是SLC相对MLC的磨损即可

• 也就是说，要使两者磨损均衡，rws应该等于rwm

• 当SLC相对MLC磨损过多，即rws更大的时候，开始写节流

1. SLC不再接受新数据(不在哈希表中的数据)，因为根据之前的推论，热数据将永远存在SLC不然就没那么热了。
2. 一段时间后rws仍大于rwm当代表热数据太多时，必须清除一些，因此减少以前环形缓冲区的K值

• 当rws不再大于rwm时，写入节流机制停止，K价值继续缓慢增加

下面是细节中的细节

• 写节流机制可能会导致SLC数据不被替换，哈希表添加了虚拟项机制
  也就是说，第一次写作只是空指针，写作MLC，如果第二次还在的话，如果还在的话SLC如果哈希表中没有回收(热)，将被真实地写入SLC

在之前的论文中，一种通用的方法 FTL一般采用(10年)

如上图:

• 一开始写的块是数据块
• 因为SSD旧数据的写入不能直接更新原块，需要找新块写入，然后将旧块标记为无效，称为更新记录块

举个例子

假如要获得逻辑地址LBA 需要1的最新数据

1. 通过查L2P获取其物理地址PBA，即4
2. 查找LB表，4对应的指针不空，得到3
3. 继续搜索3，得到相应的块 6
4. 6对应指针为空，块链找齐，最终数据为6

对应的描述如图左侧所示，块通过指针连接成块链

当垃圾回收时，检查块链上的有效数据，并将其写入新的空闲块中
将块链变成数据块称为块链折叠

不要马上写MLC，会看MLC里面有数据吗？如果没有，续写入SLC，也没啥特别的

文中第4节

1. 提出了一种计算写入开销的方式，在文中作者自己的实验中得到了有效地认证，这里不再细述

2. 计算了存放SLC、MLC的L2P表等数据结构需要的RAM大小

• 工作负载：一台便携PC的日常使用(很老的配置了，CPU都是赛扬)，时间为一个月
• 操作系统以及文件系统： XP和NTFS 以及 Linux和ext3

三种不同的混合SSD配置

是普通SSD速度的1.8倍

RS 比：SLC响应时间相对MLC快多少

测试结果显示，SLC大小要超过128MB才能达到比较好的效果

通过记录对SSD的各类请求，可以看出，加入SLC后的混合SSD相比MLC SSD，大量减少了GC操作，从而提升了性能(上图RS比最高可达1.84)

这是对MLC访问区块随时间变化的记录

本文提出了一种MLC与SLC混合SSD的设计方案，通过冷热数据分流、写入节流机制，有效地利用好了SLC的优势，相对纯MLC SSD以更低的价格达到了更好的性能

但是文章比较老旧（10年），其中很多方法可能过时，并且针对于其自身配置的设计不可能完全适用于目前的设备