提高mlc nand flash存储系统可靠性的方法研究

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1、国内图书分类号：TP274+.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文提高MLCNANDFlash存储系统可靠性的方法研究博士研究生：黄敏导师：乔立岩教授申请学位：工学博士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2015年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP274+.2U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHERESEARHONRELIABILITYENHANCEMENTOFMLCNAN

2、DFLASHSTORAGESYSTEMCandidate：HuangMinSupervisor：Prof.QiaoLiyanAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：InstrumentScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence：December,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTe

3、chnology摘要摘要NANDflash作为一种非易失性存储器件，相对于磁盘存储器具有功耗较低、访问速度更快以及良好的抗震特性等优点，因此在信息存储领域尤其是测试信息存储领域取得了广泛应用。其中，MLC（MultiLevelCell）NANDflash由于存储密度为SLC（SingleLevelCell）NANDflash数倍，成本较低，已经成为主流的NANDflash存储介质。但是，随着MLCNANDflash存储容量及存储密度增加，基于MLCNANDflash存储系统可靠性问题也日益突出。目前，MLCNANDflash存储系统可靠性问题主要集

4、中在以下三个方面：错误率升高、使用寿命降低及发生意外掉电时数据丢失问题。本论文首先从MLCNANDflash结构及工作原理角度分析了错误率升高、使用寿命降低及对意外掉电敏感问题的内在机理，然后针对这三个可靠性问题，提出了提高存储系统可靠性方法，主要工作如下：首先研究了MLCNANDflash存储系统错误率升高的问题。本文通过分析文件系统不同请求的重要程度，针对传统冗余备份方法会给存储系统带来大量存储空间开销的缺陷，提出了元数据冗余方法，通过仅对系统元数据进行备份降低元数据错误率；为了降低冗余备份方法对系统I/O性能造成的开销，利用MLCNANDfl

5、ash错误率非对称分布的特性，通过将系统关键数据合理分布于物理存储空间，最终达到降低存储系统错误率，同时不牺牲存储系统I/O性能的目的；设计并实现了实际的硬件实验平台，本文所有实现均基于此硬件实验平台。其次研究了延长MLCNANDflash存储系统使用寿命的方法。NANDflash存储系统的使用寿命与垃圾回收次数直接相关，本文通过对MLCNANDflash存储系统垃圾回收操作及并行访问方法进行分析，针对基于MLCNANDflash的固态盘，将并行访问方法与垃圾回收方法结合，提出了一种垃圾回收相关的并行访问方法。垃圾回收相关的并行访问方法将顺序访问请

6、求队列的请求顺序根据存储系统并行程度重新组织，以实现与串行访问方法相近的垃圾回收开销同时不牺牲存储系统I/O性能，有效地降低了存储系统垃圾回收次数，从而延长了使用寿命。最后研究了MLCNANDflash存储系统意外掉电时数据丢失问题。本文对采用电容作为临时电源的固态盘建立意外掉电模型，分析了固态盘各部分耗能-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文情况，针对以电容作为临时电源的MLCNANDflash存储系统，提出了贪婪备份方法。贪婪备份将电容放电过程与器件特性进行结合，通过动态通道选择策略和快速安全编程策略，避免了存储系统意外掉电时出现的低页破坏现象，

7、同时有效提高了备份效率。关键词：MLCNANDflash；错误率；可靠性；使用寿命；意外掉电-II-AbstractAbstractAsasemiconductor-basednonvolatilememory,NANDflashmemoryfeaturesnon-volatility,lowpower-consumption,fastaccesstimeandshock-resistance.ThereforeNANDflashmemoryhasbeenwidelyusedasthestoragemediainstoragefieldespeci

8、allytestdatastoragefield.MLC(MultiLevelCell)NANDflashdevicesc