名詞介紹

page

SSD 存儲芯片內寫操作的最小單元。

block

SSD 存儲芯片內擦除操作的最小單元。

Flash Transfer Layer的簡寫。

FTL的功能

實現host地址到nand地址到轉換。

FTL mapping的基本機制

page-level mapping

每一個邏輯的page 都是映射到一個物理page, 映射策略和同一個block內到其他page 無關。

block-level mapping

對應關係類似上面，只是粒讀是比page 更大的block 。

hybrid mapping

部分block 用page-levle mapping機制，部分block 採取block-level
mapping 機制。如下圖所示：

常見的FTL算法

好算法的評判標準：

small memory footprint
good writing performance

優化思路

mapping-entry to flash
對於page level mapping機制：
優點是性能好，缺點是SSD控制器內部佔用的內存大，但可以把部分mappint entry 放到flash中去優化。
log block FTL
對於block level mapping 機制：

優點是總的mapping entry少，但是由於block內部不同page的寫需要COW 操作，導致性能低。這可以通過給block 內部添加的額外的page或者block來接受寫更新請求來優化，這部分page或block被分別叫做log-page/log-block，而默認的那部分page/block被稱爲data-page/data-block。後續兩者可以一趟合併，無需COW。

partitioned-flash
思路和依賴體現在下面幾點：

SSD 能被切分
SSD存儲介質能夠被切分成多個區域；
IO流有高、低頻之分
部分數據被頻繁更新；部分數據很少跟新；
內部支持hybrid mapping scheme
內部部分NAND的FTL是page-level mapping; 部分是block-level mapping;
獨立映射
高頻（熱數據）使用 page-level FTL；
低頻（冷數據）使用 block-level FTL;

log block FTL

Mitsubishi

這種機制在每個log page裏面包括額外的log page, 這些log page應用程序不可見，只在block裏的data page更新的時候纔會立即更新。特點是：後續對block的寫，會基於log page；如果log page用完了，會進行copy and merge。如下圖所示：

M-systems

M-systems可以理解成block RAID1, 一個logical block 對應兩個physical block，： data block和log block 。M-systems有兩種管理映射的機制：

ANAND

相同偏移的page 才能相互映射。第一次覆蓋寫會落到log block，第二次覆蓋寫纔會觸發merge操作。舉例如下：

這種方法的優點是不需要維護data block和log block的映射關係。

FMAX

對某個page的覆蓋寫的更新會寫到log block的第一個空閒page，之前的page number(在較早的data block裏面的）會被拷貝到帶外空間（OOB）。data block和log block的merge操作只會發生在log block裏空閒空間不足的情況下。

BAST (Block Associative Sector Translation FTL)

BAST可以理解爲log block 數量受到限制的FMAX， FTL mapping table 而非OOB region被用來管理log-block和data-block的1:1映射關係。當出現下面的情況下會觸發merge:

log block 被用完了；
覆蓋寫的時候free log block 不足。

這個方法的不足在於：當有超過log block 數量的更新同時進行的時候，會觸發多個merge 操作，即便此時有的log-block裏有效數據很少。

FAST (Fully Associative Sector Translation FTL)

FAST通過全相關解決了上面的問題。一個log block 可以映射到多dat block 。在這種策略中， log blocks被分成兩個區域。每個區域都包含一個專門給順序更新的block，因爲順序寫如果落到不同block會導致merge 操作效率低下，所以把落在同一個邏輯block 的page 順序更新都映射到同一個block。此外，每個區域還包括對隨機寫友好的log block ，這些block 可以在隨機更新的時候被最大程度地並行使用，同時最小化了merge 開銷。下面這個圖很直觀地說明了這個過程：

LAST (Locality Aware Sector Translation FTL)

FAST merge操作的次數少，但是每次merge操作的代價大。因爲FAST 中log-block 和page-block是1:N映射的，一個log-page裏可能映射到多個data block，這樣merge一個log block可能就需要更新多個data block。特別地有的data block 可能更新比較少，而有的data block 可能比較頻繁地更新，如果都混在同一個log block裏可能造成實際數據更新比較少的block也頻繁merge，顯然這樣效率不高。爲此，自然想到了一種把不同頻次的IO 分流到不同的log-block 的方法。

爲順序寫分配更多的log-block；
把屬於隨機寫的log-block 分成兩個區域：一部分log page 用來接收熱數據；一部分用來接收冷數據。

K-Associative Sector mapping FTL

log-block 和data-block K路組相連的映射方式，來減少FFTL merge操作的開銷。

Hybrid FTL

主要的思路如下：

爲冷熱數據分配不同的log block/log pages;
熱數據採取 page-levle mapping
冷數據採取block-level mapping

Page-level mapping FTL

傳統的page-level mapping 由於使用數量巨大的mapping table entry 佔用很多內存，通常不是一個最好的選擇。業界提出了幾種方法。

DFTL (Demand-based FTL)

主要思路如下：

高頻訪問的mapping table entry 存在控制器RAM裏；
其他的mappieng table entry 存在flash memory裏；

示例圖如下：

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SFTL (Spatial Locality Aware FTL)

主要思路是利用順序IO的特性來減少mapping table 的大小。對於順序IO，不需要加載對mapping table 的多個不同的引用，只需要加載一個引用以及表示還有多少順序訪問的數量就夠了。

CFTL (Convertible FTL)

一種充分利用了程序時間和空間局本性的 FTL。

利用空間局部性

使用了cache來存取部分mapping table

利用時間局部性
對於密集的讀請求使用block-level mapping，而對很頻繁的更新請求使用page-level mapping機制。

FTL with partitioned flash memory

WAFTL (Workload Aware FTL)

WAFTL根據IO pattern 來存放數據。在這種FTL實現裏：

flash memory 被物理分成兩個區域：

基於page映射的區域

managed page-wise called Page Mapped Blocks (PMB), 用來存放：

基於block映射的區域

managed block-wise called Block Mapped Blocks (BMB)

根據IO pattern分區存放數據：

隨機訪問的數據以及block 部分更新的數據存放到PMB 區域；
順序訪問的數據以及mapping table 存放在 BPM區域；
WAFTL 內部把flash memroy 部分空間用作了buffer，在這些數據被copy到BPM區域之前，會被臨時、順序寫入到buffer 裏面去。

CACHE-FTL (Cache Aware Configurable Hybrid FTL)

類似上面的WAFTL, flash memroy也劃分了分區。考慮到SSD控制器內部也有cache,
其最終目的就是爲了加快對flash memory 對訪問，同時考慮儘量減小最終落到block內部的 cache上的有效數據和flash memory上的無效數據的merge開銷。因此，CACHE-FTL 提出了一種通過統計內部flush.操作下刷單page數量來決定寫到 page-mapping 區域還是block mapping 區域：如果這個數量低於某個閾值，就寫到page-level mapping 區域，否則寫到block-level mapping區域。

此外，CACHE-FTL的GC機制在回收空間的時候，允許數據從page-level mapping區域搬到block-level mapping 區域。

SSD FTL揭祕