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分區命名空間固態硬碟之可適性管理

為了解決hdd壽命的問題，作者林渟瑄 這樣論述：

近年來，相對於傳統機械式硬碟，NAND快閃記憶體具有更高的存取性能和能源效率，因而被視為是機械式硬碟的有力競爭者。然而，由於NAND快閃記憶體特有的硬體特性，例如：頁面一次性寫入、批量抹除特性或寫入磨耗效應等，需要特有的管理機制，藉以提升資料之存取效能、可靠性及裝置壽命。傳統上，快閃儲存裝置的管理機制通常以裝置上的韌體形式實現，稱作快閃記憶體轉譯層。由於快閃記憶體轉譯層係由快閃儲存裝置上的控制器執行，只能取用裝置上計算能力、緩衝區等有限的運算資源，且無法利用如應用程式之資料存取模式等主機端資訊幫助管理，因而嚴重限制了快閃儲存裝置的性能。為克服傳統快閃儲存裝置的固有限制，近年來已有多種相關技術

被提出，如開放通道固態硬碟（open-channel solid-state disk, OCSSD）等。藉由將快閃記憶體轉譯層之大部份管理工作轉由主機端之處理器執行，開放通道固態硬碟得以利用主機端豐沛的運算資源，從而得以有效的提升快閃儲存裝置的效能與可靠性。然而，由於開放通道固態硬碟未對主機端之資料存取行為做任何限制，不但使得快閃記憶體轉譯層之設計更為複雜，且需要額外的緩衝區等運算資源。如何在不影響快閃儲存裝置的資料存取效能、主機端相容性與存取便利性的情況下，有效簡化在主機端執行之快閃記憶體轉譯層之設計，遂成一重要之研究議題。為進一步簡化快閃記憶體的管理工作，新一代的開放通道固態硬碟採用了嶄

新的存取介面，稱為分區命名空間固態硬碟（zoned namespace SSD, ZNS SSD）。藉由將固態硬碟的邏輯位址空間劃分為多個等大的分區（zone）分別管理，並限制各分區中的區塊只能被循序的寫入，便完全不再需要回收寫入資料後的儲存空間，這有效簡化了快閃記憶體轉譯層的設計。同時，僅有常被存取分區的元資料會隨需載入（on-demand loading）到主記憶體中，也可避免消耗過多主機端的主記憶體空間。然而，為應對不可避免的快閃記憶體壞塊（bad block），需要為分區預留額外的儲存空間以供替換。然而，由於快閃記憶體製程變異的問題，預留相同比例的額外空間，往往可能使某些壞塊較多的分區

很快便無法使用，而影響到裝置之整體使用壽命；同時，對於某些幾無壞塊的分區，預留之額外空間卻顯多餘，而造成儲存空間的浪費。基於上述觀察，在本論文中，我們針對分區命名空間固態硬碟提出了一個簡單、低成本卻高彈性的分區管理策略，擴充了既有緩衝分區的管理機制。藉由總體考量資料之存取模式、快閃記憶體的製程變異等因素，我們所提出之策略可同時提升空間利用率、裝置使用壽命以及資料存取的效能。透過一系列的分析和實驗，我們所提出機制之效果與可靠性均得到了妥善的驗證。