SSD FTL揭祕

名詞介紹

• page

SSD 存儲芯片內寫操做的最小單元。

• block

SSD 存儲芯片內擦除操做的最小單元。

• FTL

Flash Transfer Layer的簡寫。

FTL的功能

實現host地址到nand地址到轉換。

FTL mapping的基本機制

• page-level mapping

每個邏輯的page 都是映射到一個物理page, 映射策略和同一個block內到其餘page 無關。

• block-level mapping

對應關係相似上面，只是粒讀是比page 更大的block 。

• hybrid mapping

部分block 用page-levle mapping機制，部分block 採起block-level
mapping 機制。以下圖所示：

常見的FTL算法

好算法的評判標準：

• small memory footprint

• good writing performance

優化思路

• mapping-entry to flash
  對於page level mapping機制：
  優勢是性能好，缺點是SSD控制器內部佔用的內存大，但能夠把部分mappint entry 放到flash中去優化。

• log block FTL
  對於block level mapping 機制：

優勢是總的mapping entry少，可是因爲block內部不一樣page的寫須要COW 操做，致使性能低。這能夠經過給block 內部添加的額外的page或者block來接受寫更新請求來優化，這部分page或block被分別叫作log-page/log-block，而默認的那部分page/block被稱爲data-page/data-block。後續二者能夠一趟合併，無需COW。

• partitioned-flash
  思路和依賴體如今下面幾點：

1. SSD 能被切分
   SSD存儲介質可以被切分紅多個區域；

2. IO流有高、低頻之分
   部分數據被頻繁更新；部分數據不多跟新；

3. 內部支持hybrid mapping scheme
   內部部分NAND的FTL是page-level mapping; 部分是block-level mapping;

4. 獨立映射
   高頻（熱數據）使用 page-level FTL；
   低頻（冷數據）使用 block-level FTL;

log block FTL

Mitsubishi

這種機制在每一個log page裏面包括額外的log page, 這些log page應用程序不可見，只在block裏的data page更新的時候纔會當即更新。特色是：後續對block的寫，會基於log page；若是log page用完了，會進行copy and merge。以下圖所示：

M-systems

M-systems能夠理解成block RAID1, 一個logical block 對應兩個physical block，： data block和log block 。M-systems有兩種管理映射的機制：

• ANAND

相同偏移的page 才能相互映射。第一次覆蓋寫會落到log block，第二次覆蓋寫纔會觸發merge操做。舉例以下：

這種方法的優勢是 不須要維護data block和log block的映射關係。

• FMAX

對某個page的覆蓋寫的更新會寫到log block的第一個空閒page，以前的page number(在較早的data block裏面的）會被拷貝到帶外空間（OOB）。data block和log block的merge操做只會發生在log block裏空閒空間不足的狀況下。

BAST (Block Associative Sector Translation FTL)

BAST能夠理解爲log block 數量受到限制的FMAX， FTL mapping table 而非OOB region被用來管理log-block和data-block的1:1映射關係。 當出現下面的狀況下會觸發merge:

• log block 被用完了；

• 覆蓋寫的時候free log block  不足。

  這個方法的不足在於：當有超過log block 數量的更新同時進行的時候，會觸發多個merge 操做，即使此時有的log-block裏有效數據不多。

FAST (Fully Associative Sector Translation FTL)

FAST經過全相關解決了上面 的問題。一個log block 能夠映射到多dat block 。在這種策略中， log blocks被分紅兩個區域。每一個區域都包含一個專門給順序更新的block，由於順序寫若是落到不一樣block會致使merge 操做效率低下，因此把落在同一個邏輯block 的page 順序更新都映射到同一個block。此外，每一個區域還包括對隨機寫友好的log block ，這些block 能夠在隨機更新的時候被最大程度地並行使用，同時最小化了merge 開銷。下面這個圖很直觀地說明了這個過程：

LAST (Locality Aware Sector Translation FTL)

FAST merge操做的次數少，可是每次merge操做的代價大。由於FAST 中log-block 和page-block是1:N映射的，一個log-page裏可能映射到多個data block，這樣merge一個log block可能就須要更新多個data block。特別地 有的data block 可能更新比較少，而有的data block 可能比較頻繁地更新，若是都混在同一個log block裏可能形成實際數據更新比較少的block也頻繁merge，顯然這樣效率不高。爲此，天然想到了一種把不一樣頻次的IO 分流到不一樣的log-block 的方法。

1. 爲順序寫分配更多的log-block；

2. 把屬於隨機寫的log-block 分紅兩個區域：一部分log page 用來接收熱數據；一部分用來接收冷數據。

K-Associative Sector mapping FTL

log-block 和data-block K路組相連的映射方式，來減小FFTL merge操做的開銷。

Hybrid FTL

主要的思路以下：

• 爲冷熱數據分配不一樣的log block/log pages;
• 熱數據採起 page-levle mapping
• 冷數據採起block-level mapping

Page-level mapping FTL

傳統的page-level mapping 因爲使用數量巨大的mapping table entry 佔用不少內存，一般不是一個最好的選擇。業界提出了幾種方法。

DFTL (Demand-based FTL)

主要思路以下：

• 高頻訪問的mapping table entry 存在控制器RAM裏；
• 其餘的mappieng table entry 存在flash memory裏；

示例圖以下：

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SFTL (Spatial Locality Aware FTL)

主要思路是利用順序IO的特性來減小mapping table 的大小。對於順序IO，不須要加載對mapping table 的多個不一樣的引用，只須要加載一個引用以及表示還有多少順序訪問的數量就夠了。

CFTL (Convertible FTL)

一種充分利用了程序時間和空間局本性的 FTL。

• 利用空間局部性

使用了cache來存取部分mapping table

• 利用時間局部性
  對於密集的讀請求使用block-level mapping，而對很頻繁的更新請求使用page-level mapping機制。

FTL with partitioned flash memory

WAFTL (Workload Aware FTL)

WAFTL根據IO pattern 來存放數據。在這種FTL實現裏：

1. flash memory 被物理分紅兩個區域：

• 基於page映射的區域

managed page-wise called Page Mapped Blocks (PMB), 用來存放：

• 基於block映射的區域

managed block-wise called Block Mapped Blocks (BMB)

2. 根據IO pattern分區存放數據：

• 隨機訪問的數據以及block 部分更新的數據存放到PMB 區域；
• 順序訪問的數據以及mapping table 存放在 BPM區域；
• WAFTL 內部 把flash memroy 部分空間用做了buffer，在這些數據被copy到BPM區域以前，會被臨時、順序寫入到buffer 裏面去。

CACHE-FTL (Cache Aware Configurable Hybrid FTL)

相似上面的WAFTL, flash memroy也劃分了分區。考慮到SSD控制器內部也有cache,
其最終目的就是爲了加快對flash memory 對訪問，同時考慮儘可能減少最終落到block內部的 cache上的有效數據和flash memory上的無效數據的merge開銷。所以，CACHE-FTL 提出了一種經過統計內部flush.操做下刷單page數量來決定寫到 page-mapping 區域仍是block mapping 區域：若是這個數量低於某個閾值，就寫到page-level mapping 區域，不然寫到block-level mapping區域。

此外，CACHE-FTL的GC機制在回收空間的時候，容許數據從page-level mapping區域搬到block-level mapping 區域。