[论文解读] Improving the Reliability of Next Generation SSDs using WOM-v Codes

Shehbaz Jaffer, Kaveh Mahdaviani+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2022

Advanced Data Storage Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出WOM-v码——一种非二进制、基于电压的写一次内存编码方案，通过减少程序/擦除（P/E）周期，显著延长了下一代QLC SSD的耐久性。利用基于FEMU的仿真器和两项关键优化（高效的垃圾回收与编码），作者实现了4.4倍至11.1倍的擦除周期减少，性能开销极低，显著提升了真实工作负载下SSD的可靠性与寿命。

ABSTRACT

High density Solid State Drives, such as QLC drives, offer increased storage capacity, but a magnitude lower Program and Erase (P/E) cycles, limiting their endurance and hence usability. We present the design and implementation of non-binary, Voltage-Based Write-Once-Memory (WOM-v) Codes to improve the lifetime of QLC drives. First, we develop a FEMU based simulator test-bed to evaluate the gains of WOM-v codes on real world workloads. Second, we propose and implement two optimizations, an efficient garbage collection mechanism and an encoding optimization to drastically improve WOM-v code endurance without compromising performance. A careful evaluation, including microbenchmarks and trace-driven evaluation, demonstrates that WOM-v codes can reduce Erase cycles for QLC drives by 4.4x-11.1x for real world workloads with minimal performance overheads resulting in improved QLC SSD lifetime.

研究动机与目标

• 为解决QLC SSD耐久性有限的问题，其P/E周期显著少于前代SSD。
• 设计并实现非二进制、基于电压的WOM-v码，使每个内存单元在不擦除的情况下可多次写入。
• 使用高保真度的FEMU基础仿真器，评估WOM-v码在真实工作负载下的影响。
• 通过高效的垃圾回收与编码技术，优化WOM-v码的性能。
• 证明WOM-v码可在性能开销极低的情况下延长QLC SSD的使用寿命。

提出的方法

• 设计并实现非二进制WOM-v码，将多次数据写入映射到内存单元的不同电压电平，推迟擦除操作。
• 开发基于FEMU的仿真测试平台，模拟真实工作负载下的SSD行为，并在真实条件下评估WOM-v码的性能。
• 提出一种专为WOM-v码优化的垃圾回收机制，以减少擦除操作并改善写入放大的问题。
• 实现一种编码优化，提高码效率，减少所需擦除周期的数量。
• 使用微基准测试与基于trace的评估，验证所提优化的有效性。
• 在多种工作负载下测量性能开销与擦除周期减少情况，量化可靠性提升效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 WOM-v码是否能在不引入显著性能惩罚的前提下，有效减少QLC SSD中的P/E周期？
• RQ2 与传统SSD磨损均衡技术相比，WOM-v码在真实工作负载下的表现如何？
• RQ3 优化的垃圾回收与编码对WOM-v码的耐久性与性能有何影响？
• RQ4 在实际部署场景中，WOM-v码能在多大程度上延长QLC SSD的可用寿命？
• RQ5 在WOM-v编码SSD中，码复杂度、性能开销与擦除周期减少之间的权衡关系如何？

主要发现

• 在多种真实工作负载下，WOM-v码使QLC SSD的擦除周期减少了4.4倍至11.1倍，显著延长了设备耐久性。
• 所提出的垃圾回收优化有效降低了写入放大，并最小化了WOM-v编码SSD中的非必要擦除操作。
• 编码优化提升了码效率，实现了更高的数据密度与更低的擦除频率，且未增加复杂度。
• WOM-v码带来的性能开销极低，在微基准测试中对I/O延迟与吞吐量的影响可忽略不计。
• 基于trace的评估证实，该方法在多个真实工作负载中均表现出一致的性能增益，验证了其可扩展性与鲁棒性。
• WOM-v编码与各项优化相结合，显著提升了SSD的可靠性与寿命，使QLC SSD在长期存储应用中更具可行性。