[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出一种双缓存管理策略，以取代嵌入式闪存存储中传统的磨损均衡与垃圾回收机制，通过在缓存中吸收擦除操作，减少磨损并提升性能。在以极少全局顺序访问为特征的工作负载上评估表明，仅使用缓存的方法可减少总的擦除操作次数，并通过消除FTL磨损均衡的开销，提升写入性能。

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.

研究动机与目标

• 解决NAND闪存存储因块擦除磨损而导致的耐久性有限问题。
• 减少对Flash Translation Layer（FTL）磨损均衡与垃圾回收的依赖，后者会降低写入性能。
• 通过基于缓存的磨损吸收机制，提升闪存存储的性能与寿命。
• 评估在嵌入式闪存工作负载下，纯缓存系统方案的可行性。
• 证明在最小全局顺序访问模式下，基于缓存的擦除吸收机制是有效的。

提出的方法

• 实现双缓存架构，在将数据写入闪存块之前先存储于缓存中。
• 将所有擦除操作吸收在缓存内，从而消除对闪存块的直接擦除操作。
• 采用写回策略，仅在缓存驱逐时才调度块擦除操作。
• 以智能缓存管理取代FTL磨损均衡与垃圾回收机制。
• 设计缓存内部处理磨损均衡逻辑，减少对闪存层级的操作。
• 优化缓存替换策略，在保持性能的同时最小化闪存擦除操作次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用缓存的系统能否在嵌入式闪存存储中有效替代基于FTL的磨损均衡与垃圾回收？
• RQ2 与传统磨损均衡相比，所提出的缓存策略如何减少总的闪存擦除操作次数？
• RQ3 在何种工作负载条件下，基于缓存的方法优于传统磨损均衡？
• RQ4 消除FTL层级磨损均衡对写入吞吐量与延迟的性能影响如何？
• RQ5 缓存能否吸收足够多的擦除操作，以防止在实际嵌入式工作负载下发生闪存磨损？

主要发现

• 所提出的基于缓存的系统通过在缓存中吸收擦除操作，显著减少了闪存介质上报的总擦除操作次数。
• 性能评估表明，与传统磨损均衡相比，仅使用缓存的方法在写入性能方面表现更优，尤其在低全局顺序访问工作负载下优势明显。
• 该系统有效替代了FTL磨损均衡与垃圾回收服务，消除了其性能开销。
• 当工作负载表现出最小的全局顺序访问率时，该方法最为有效，能够实现高效的缓存利用并减少闪存磨损。
• 通过将磨损分布于缓存而非闪存块上，该方案显著提升了闪存存储的使用寿命。
• 该系统荣获2011年国际计算机与电信系统性能评估研讨会（International Symposium on Performance Evaluation of Computer & Telecommunication Systems）最佳论文奖，验证了其技术贡献。