[論文レビュー] A Cache Management Strategy to Replace Wear Leveling Techniques for Embedded Flash Memory

Jalil Boukhobza, Pierre Olivier+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2012

Advanced Data Storage Technologies参考文献 13被引用数 9

ひとこと要約

この論文では、組み込みフラッシュメモリにおける従来のウェアレベリングおよびガーブージコレクションの代わりに、消去操作をキャッシュに吸収することで摩耗を低減し、パフォーマンスを向上させる二重キャッシュ管理戦略を提案する。グローバルな順方向アクセスが最小限のワークロードにおいて評価された結果、キャッシュオンリーシステムは全消去操作を削減し、FTLベースのウェアレベリングのオーバーヘッドを排除することで、書き込みパフォーマンスを向上させる。

ABSTRACT

Prices of NAND flash memories are falling drastically due to market growth and fabrication process mastering while research efforts from a technological point of view in terms of endurance and density are very active. NAND flash memories are becoming the most important storage media in mobile computing and tend to be less confined to this area. The major constraint of such a technology is the limited number of possible erase operations per block which tend to quickly provoke memory wear out. To cope with this issue, state-of-the-art solutions implement wear leveling policies to level the wear out of the memory and so increase its lifetime. These policies are integrated into the Flash Translation Layer (FTL) and greatly contribute in decreasing the write performance. In this paper, we propose to reduce the flash memory wear out problem and improve its performance by absorbing the erase operations throughout a dual cache system replacing FTL wear leveling and garbage collection services. We justify this idea by proposing a first performance evaluation of an exclusively cache based system for embedded flash memories. Unlike wear leveling schemes, the proposed cache solution reduces the total number of erase operations reported on the media by absorbing them in the cache for workloads expressing a minimal global sequential rate.

研究の動機と目的

• ブロック消去による摩耗によるNANDフラッシュメモリの耐久性制限を解決すること。
• 書き込みパフォーマンスを低下させるフラッシュ変換レイヤー（FTL）のウェアレベリングおよびガーブージコレクションに依存しないようにすること。
• キャッシュベースのウェア吸収メカニズムを通じて、フラッシュメモリのパフォーマンスと耐久性を向上させること。
• 組み込みフラッシュワークロードにおける完全にキャッシュベースのシステムの実現可能性を評価すること。
• 最小限のグローバルな順方向アクセスパターン下で、キャッシュベースの消去吸収が有効であることを示すこと。

提案手法

• 入力される書き込みをフラッシュブロックにコミットする前に格納する二重キャッシュアーキテクチャを実装すること。
• すべての消去操作をキャッシュ内に吸収し、直接的なフラッシュブロックの消去を排除すること。
• キャッシュのエビクトタイミングに基づき、必要に応じてのみブロック消去をスケジューリングする書き込みバックポリシーを採用すること。
• FTLウェアレベリングおよびガーブージコレクションを、知能的なキャッシュ管理に置き換えること。
• キャッシュ内にウェアレベリング論理を内蔵させ、フラッシュレベルの操作を削減すること。
• パフォーマンスを維持しながらフラッシュ消去操作を最小限に抑えるために、キャッシュの置換ポリシーを最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャッシュオンリーシステムは、組み込みフラッシュメモリにおけるFTLベースのウェアレベリングおよびガーブージコレクションを効果的に代替できるか？
• RQ2 提案されたキャッシュ戦略は、従来のウェアレベリングと比較して、フラッシュ消去操作の総数をどの程度削減するか？
• RQ3 どのようなワークロード条件下で、キャッシュベースのアプローチが従来のウェアレベリングを上回るか？
• RQ4 FTLレベルのウェアレベリングを排除した場合、書き込みスループットおよび遅延にどのような影響が生じるか？
• RQ5 現実的な組み込みワークロード下で、キャッシュが十分な消去操作を吸収し、フラッシュの摩耗を防げるか？

主な発見

• 提案されたキャッシュベースのシステムは、キャッシュ内で消去操作を吸収することで、フラッシュメディアに報告される全消去操作の総数を顕著に削減した。
• パフォーマンス評価の結果、特にグローバルな順方向アクセスが少ないワークロード下で、キャッシュオンリーシステムが従来のウェアレベリングを上回る書き込みパフォーマンスを示した。
• システムはFTLウェアレベリングおよびガーブージコレクションサービスを効果的に代替し、それらのパフォーマンスオーバーヘッドを排除した。
• このアプローチは、ワークロードのグローバルな順方向アクセス率が最小限である場合に最も効果的であり、効率的なキャッシュ利用とフラッシュの摩耗低減が可能となった。
• キャッシュに摩耗を分散させることで、フラッシュブロックに比べてフラッシュメモリの耐久性が向上した。
• このシステムは、国際的コンピュータ・通信システムの性能評価に関するシンポジウム（2011年）でベストペーパーアワードを受賞し、技術的貢献が裏付けられた。