一种基于HBM缓存的SSD固态盘制造技术

本发明专利技术涉及一种基于HBM缓存的SSD固态盘，包括基于HBM和DRAM混合缓存的SSD固态盘和基于HBM缓存的SSD固态盘两种方式，基于HBM和DRAM混合缓存的SSD固态盘混合使用HBM和DRAM作为缓存，DRAM存储FTL映射表，HBM提供缓存功能。基于HBM缓存的SSD固态盘使用HBM替代DRAM，HBM具有缓存数据和存储FTL映射表的功能。本发明专利技术在处理写放大、垃圾回收过程中保障了读写带宽恒定、降低了读写时延，较大程度的保证高并发、多路视频数据存取的效率。多路视频数据存取的效率。多路视频数据存取的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于HBM缓存的SSD固态盘


[0001]本专利技术涉及固态存储领域，具体是一种基于HBM缓存的SSD固态盘。

技术介绍

[0002]SSD固态盘主要部件包括主控芯片、闪存颗粒、缓存芯片、PCB等。其中，主控芯片控制并管理着所有的闪存颗粒的空间，并决定着数据在闪存颗粒上的具体分布位置。闪存颗粒，提供实际的存储空间，用于存储实际的应用数据。PCB是SSD固态盘的底座，所有芯片以及相关的电子元器件焊接在上面，是固态盘的基础。缓存芯片，在SSD固态盘中是一个特殊的存在，其主要作用是用于存储FTL地址映射表，表示闪存颗粒中单元空间的物理地址与文件系统逻辑地址之间的对应（映射）关系，将主机可以识别的存储空间逻辑地址逐一映射到实际的闪存颗粒的物理地址。
[0003]缓存芯片是高配置SSD的必配元器件，低配置SSD为了节省成本去除了缓存芯片。在采用缓存芯片的SSD固态盘中，会把FTL映射表完整地放入DRAM缓存中，并按照闪存颗粒存储空间和DRAM缓存容量1GB:1MB的比例配置DRAM缓存容量，有了DRAM缓存的帮助，在持续的数据读写过程中，固态硬盘的存取性能够保持在一个恒定的水平。只有在数据持续存取过程中恒定读写性能不敏感的应用中，SSD固态盘会把FTL映射表直接写入闪存颗粒，这就可以去除DRAM缓存芯片，这种方式降低了整盘性能，同时也节省成本。这种配置DRAM和不配置DRAM的SSD固态盘，满足了当前大部分的新型应用和传统应用。
[0004]随着AI和大规模视频数据的兴起，视频数据处理和存储的需求也呈现爆发式增长，在新型数据中心中，待处理的视频数据达到了几千~几十万路，这就推动了视频数据新型处理方式的出现，要求单一计算节点突破传统几十路视频处理能力，达到数百路处理水平。在数百路的视频处理应用中，传统HDD无法满足存储带宽要求；新型NVMe SSD存储带宽达到要求，但是持续的高频率并发访问过程中时延也是性能的挑战；同时视频数据的持续写入和读取，使得SSD固态盘持续处于工作状态，没有足够的“空闲时间”处理自身的写放大和垃圾回收问题，最终导致存储性能的下降，使得视频数据出现丢帧。
[0005]针对SSD读写性能下降的问题，行业内通常的应对措施是在算法、固件层面进行优化，如4K对齐、Trim命令、磨损均衡等机制降低写放大。但是这种方式也都属于降低写放大和垃圾回收方案，只能减小SSD性能的下降幅度，不能大幅度提升SSD的数据存取能力、特别是无法降低读写时延。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种基于HBM缓存的SSD固态盘，在处理写放大、垃圾回收过程中保障了读写带宽恒定、降低了读写时延，较大程度的保证高并发、多路视频数据存取的效率。
[0007]为了解决所述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于HBM缓存的SSD固态盘，包括SSD控制器、DRAM缓存控制器、HBM缓存控制器、NAND控制器、DRAM缓存介质、HBM缓存
介质和NAND Flash，SSD控制器包括依次相连的PCIe主机接口、NVME协议控制器和FTL映射管理器，DRAM缓存控制器、HBM缓存控制器、NAND控制器分别与FTL映射管理器相连，DRAM缓存介质与DRAM缓存控制器相连，HBM缓存介质与HBM缓存控制器相连，NAND Flash与NAND控制器相连；PCIe主机接口用于SSD固态盘与计算节点的应用进行数据传输；NVME协议控制器用于在计算节点和SSD固态盘之间处理NVME存储协议；FTL映射管理器负责维护逻辑块地址到闪存介质物理块地址的映射关系；DRAM控制器负责存储处于运行状态的FTL地址映射表、数据读写控制指令，并完成与HBM控制器、NAND控制器的数据交互；HBM控制器负责与HBM缓存介质完成数据存取，根据数据的读取、写入位置，与DRAM控制器进行交互，接收DRAM控制器发出的数据读取指令、数据写入指令；与NAND控制器进行交互，将HBM中的缓存数据写入NAND闪存介质，或从NAND闪存介质中读取应用数据；NAND控制器负责与闪存存储介质层中的NAND Flash完成数据存取；当启用HBM缓存时，FTL地址映射管理器将数据通过HBM控制器放在HBM缓存介质中；在使用NAND闪存介质时，FTL地址映射管理器将数据缓存、Log数据通过NAND控制器放在NAND Flash中；当SSD固态盘执行垃圾回收操作时，HBM控制器接收来自NAND控制器的数据、完成相关操作后，再发送给NAND控制器，从而减少对DRAM控制器的访问，减少DRAM控制器处理FTL的中断次数。
[0008]进一步的，当NAND控制器处于繁忙状态或者执行垃圾回收时，采用写回模式和读回模式；写回模式下，SSD控制器将写指令发送到DRAM控制器，DRAM控制器将接收的写指令发送到HBM控制器完成地址转换，然后传回至DRAM控制器更新写指令，写入数据从SSD控制器通过HBM控制器写入HBM缓存介质，写成功；读回模式下，NAND控制器采用顺序读方式把大块数据通过HBM控制器读入到HBM缓存介质，SSD控制器通过HBM控制器从HBM缓存介质中读取数据，读成功。
[0009]进一步的，当NAND控制器处于空闲状态或者计算节点要求SSD固态盘保持数据强一致性时，启动写透模式和读透模式；写透模式下，写入数据由SSD控制器到DRAM控制器，进入DRAM缓存介质，之后由DRAM控制器到NAND控制器，进入NAND闪存介质；读透模式下，读取地址由NAND控制器至DRAM控制器，进入DRAM缓存介质，之后由DRAM控制器发送到FTL映射管理器，读取数据由NAND控制器直接发送至SSD控制器。
[0010]进一步的，数据冗余纠错和一致性保护的数据流向为：数据读取方向由NAND控制器至HBM控制器，从而进入HBM缓存介质，之后由HBM缓存介质读出至FTL映射管理器，在HBM缓存介质中执行数据对齐、一致性校验、冗余纠错；数据写入方向为新数据到FTL映射管理器分配新地址、废弃旧地址，然后由HBM控制器到NAND控制器，落入新地址的NAND闪存介质。
[0011]进一步的，地址映射表数据流向为：地址写方向由NAND控制器到DRAM控制器，地址读方向由DRAM控制器到NAND控制器。
[0012]本专利技术所述基于HBM缓存的SSD固态盘还有另外一种实现方式，具体为：包括SSD控制器、HBM缓存控制器、NAND控制器、HBM缓存介质和NAND Flash，SSD控制器包括依次相连的PCIe主机接口、NVME协议控制器和FTL映射管理器，HBM缓存控制器、NAND控制器分别与FTL映射管理器相连，HBM缓存介质与HBM缓存控制器相连，NAND Flash与NAND控制器相连；
PCIe主机接口用于SSD固态盘与计算节点的应用进行数据传输；NVME协议控制器用于在计算节点和SSD固态盘之间处理NVME存储协议；FTL映射管理器负责维护逻辑块地址到闪存介质物理块地址的映射关系；HBM控制器与HBM缓存介质用于缓存数据和存储FTL映射表，根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于HBM缓存的SSD固态盘，其特征在于：包括SSD控制器、DRAM缓存控制器、HBM缓存控制器、NAND控制器、DRAM缓存介质、HBM缓存介质和NAND Flash，SSD控制器包括依次相连的PCIe主机接口、NVME协议控制器和FTL映射管理器，DRAM缓存控制器、HBM缓存控制器、NAND控制器分别与FTL映射管理器相连，DRAM缓存介质与DRAM缓存控制器相连，HBM缓存介质与HBM缓存控制器相连，NAND Flash与NAND控制器相连；PCIe主机接口用于SSD固态盘与计算节点的应用进行数据传输；NVME协议控制器用于在计算节点和SSD固态盘之间处理NVME存储协议；FTL映射管理器负责维护逻辑块地址到闪存介质物理块地址的映射关系；DRAM控制器负责存储处于运行状态的FTL地址映射表、数据读写控制指令，并完成与HBM控制器、NAND控制器的数据交互；HBM控制器负责与HBM缓存介质完成数据存取，根据数据的读取、写入位置，与DRAM控制器进行交互，接收DRAM控制器发出的数据读取指令、数据写入指令；与NAND控制器进行交互，将HBM中的缓存数据写入NAND闪存介质，或从NAND闪存介质中读取应用数据；NAND控制器负责与闪存存储介质层中的NAND Flash完成数据存取；当启用HBM缓存时，FTL地址映射管理器将数据通过HBM控制器放在HBM缓存介质中；在使用NAND闪存介质时，FTL地址映射管理器将数据缓存、Log数据通过NAND控制器放在NAND Flash中；当SSD固态盘执行垃圾回收操作时，HBM控制器接收来自NAND控制器的数据、完成相关操作后，再发送给NAND控制器，从而减少对DRAM控制器的访问，减少DRAM控制器处理FTL的中断次数。2.根据权利要求1所述的基于HBM缓存的SSD固态盘，其特征在于：当NAND控制器处于繁忙状态或者执行垃圾回收时，采用写回模式和读回模式；写回模式下，SSD控制器将写指令发送到DRAM控制器，DRAM控制器将接收的写指令发送到HBM控制器完成地址转换，然后传回至DRAM控制器更新写指令，写入数据从SSD控制器通过HBM控制器写入HBM缓存介质，写成功；读回模式下，NAND控制器采用顺序读方式把大块数据通过HBM控制器读入到HBM缓存介质，SSD控制器通过HBM控制器从HBM缓存介质中读取数据，读成功。3.根据权利要求1所述的基于HBM缓存的SSD固态盘，其特征在于：当NAND控制器处于空闲状态或者计算节点要求SSD固态盘保持数据强一致性时，启动写透模式和读透模式；写透模式下，写入数据由SSD控制器到DRAM控制器，进入DRAM缓存介质，之后由DRAM控制器到NAND控制器，进入NAND闪存介质；读透模式下，读取地址由NAND控制器至DRAM控制器，进入DRAM缓存介质，之后由DRAM控制器发送到FTL映射管理器，读取数据由NAND控制器直接发送至SSD控制器。4.根据权利要求1所述的基于HBM缓存的SSD固态盘，其特征在于：数据冗余纠错和一致性保护的数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞东，郭鹏，
申请(专利权)人：山东华芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：