CN114995767B - 固态硬盘的数据管理方法、存储设备及存储介质 - Google Patents

固态硬盘的数据管理方法、存储设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数据存储领域，特别涉及一种固态硬盘的数据管理方法、存储设备及存储介质，所述固态硬盘的数据管理方法包括：在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应；在对引起数据刷新的目标数据进行恢复过程中，采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码。本发明用非常低的资源开销，实现了降低后续的数据刷新率，提高固态硬盘的服务质量，提高了固态硬盘的可靠性。

Description

固态硬盘的数据管理方法、存储设备及存储介质
技术领域
本发明涉及数据存储领域，特别涉及一种固态硬盘的数据管理方法、存储设备及存储介质。
背景技术
以3D NAND为基础的固态硬盘，其存储的数据可靠性受到诸如写入次数、保持时间、读干扰等因素的影响，当错误累计到一定程度后，会触发数据刷新机制。数据刷新的过程通常包括数据恢复、数据搬迁和垃圾回收。在数据恢复阶段，通过多次retry read（重读）结合ECC（纠错码）来恢复正确数据。当错误严重时，retry read次数会非常多，使得***延时加大，严重影响服务质量。其后的数据搬迁引起的写操作延时，又会进一步加大延时。尤其对于采用QLC（四层式储存）、PLC（五层式储存）这些新型高密度存储介质的固态硬盘，其写入延时相当大，对硬盘的服务质量影响不可忽视。因此，虽然刷新机制可以保证数据可靠性，但其带来的负面效应不容忽视。
针对上述技术问题，现有技术未给出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例中提供一种固态硬盘的数据管理方法、存储设备及存储介质，用以至少提高固体硬盘的可靠性。
第一方面，本发明实施例提供一种固态硬盘的数据管理方法，所述固态硬盘的数据管理方法包括：
在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应；
在对引起数据刷新的目标数据进行恢复过程中，采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码。
可选地，所述采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码，包括：
在判定的数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误时，对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码；
在判定的数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误时，恢复第二码率的目标数据的编码，使所述目标数据的当前码率切换为第一码率的纠错码。
可选地，所述第一码率小于所述第二码率。
可选地，所述在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应之前包括：
在目标数据初次写入所述固态硬盘时，用第一码率的纠错码对所述目标数据进行编码，所述第一码率为最高码率。
可选地，所述对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码之后，包括：
对当前码率为第二码率的目标数据进行无损压缩。
可选地，采用如下低密度奇偶校验码对所述第一码率和所述第二码率进行切换：
Figure 381981DEST_PATH_IMAGE001
其中，C为核心矩阵，对应码率为第一码率的校验矩阵；Z是0矩阵；E是一个稀疏矩阵；I是单位对角阵，行数和E的相等；E和I组成了一个单奇偶校验码；H对应码率为第二码率的校验矩阵。
可选地，所述判断数据刷新效应包括：
检查所述目标数据所在的物理存储空间的驻留时间和读取频次；
在所述驻留时间大于预设驻留时间门限时，判定所述数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误；
在所述驻留时间小于预设驻留时间门限并且所述读取频次大于所述读取频次门限时，判定所述数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误。
可选地，所述固态硬盘的数据管理方法还包括：
根据擦写次数，确定所述读取频次门限；
根据固态盘控制器直接记录的驻留时间值或者通过比较重读成功的存放各种重读时的判决电平组合选项，确定所述驻留时间是否大于预设驻留时间门限。
第二方面，本发明实施例提供一种存储设备，所述存储设备包括：存储器、控制器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述控制器执行时，实现如上任一项所述的固态硬盘的数据管理方法的步骤。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有固态硬盘的数据管理程序，所述固态硬盘的数据管理程序被控制器执行时，实现如上任一项所述的固态硬盘的数据管理方法的步骤。
本发明各个实施例通过用非常低的资源开销，实现了降低后续的数据刷新率，提高固态硬盘的服务质量，提高了固态硬盘的可靠性。
附图说明
图1是根据本发明实施例的固态硬盘的数据管理方法主流程图；
图2是根据本发明实施例的一种固态硬盘的数据管理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
本发明实施例提供一种固态硬盘的数据管理方法，如图1所示，所述固态硬盘的数据管理方法包括：
S101，在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应；
S102，在对引起数据刷新的目标数据进行恢复过程中，采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码。
其中，固态硬盘可以采用QLC、PLC等高密度存储介质。数据刷新的过程通常包括数据恢复、数据搬迁和垃圾回收。数据刷新效应也可以描述为引起纠错码错误的原因。
引起ECC错误的原因很多，不分辨错误原因的数据刷新，会导致后续的数据刷新频率越来越高。例如，对于访问频率很低的冷数据，其ECC错误主要由retention时间引起，即使经过数据刷新，经过一段时间后，新累计的retention效应又会触发新的数据刷新。而且随着整盘磨损率的提高，其刷新率也必然上升。
又如，虽然采用不同的RAID技术可以给冷热数据提供差异化的可靠性保护，但是RAID编解码涉及到多个RAID阵列内的码字，引起的***延时和运算量都非常大。
再如，采用不同的纠错码需要***包含两套ECC编解码硬件，代价过大，采用不同的解码方法也涉及类似的问题。
本发明实施例通过在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应，并在对引起数据刷新的目标数据进行恢复过程中，采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码，从而用非常低的资源开销，实现了降低后续的数据刷新率，提高固态硬盘的服务质量，提高了固态硬盘的可靠性，可以有效解决上述问题。
在一些实施方式，所述采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码，包括：
在判定的数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误时，对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码；如图2所示，为了提高效率，在具体实施过程中，在判定的数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误，并且在目标数据的当前码率为第一码率时，对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码；
在判定的数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误时，恢复第二码率的目标数据的编码，使所述目标数据的当前码率切换为第一码率的纠错码。可选地，所述第一码率小于所述第二码率。在具体实施过程中，在判定的数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误，并且在目标数据的当前码率为第二码率时，恢复第二码率的目标数据的编码，使所述目标数据的当前码率切换为第一码率的纠错码。
本实施方式在数据巡检时，如遇到ECC错误的数据，如果错误是retention时间效应造成的，则对原数据进行增强ECC编码后再进行数据搬迁和垃圾回收。如果数据巡检发现的ECC错误是由于频繁读取，即read disturb效应造成的，且当前数据已经过强化编码，则将数据恢复为普通编码，然后再执行剩余的刷新工作。进一步用非常低的资源开销，实现了降低后续的数据刷新率，提高固态硬盘的服务质量，提高了固态硬盘的可靠性，并且，对于冷热数据也实现了满足各自需求的分级可靠度管理。
当然，为了控制写放大，并减少了读取时的译码延时和功耗。在一些实施方式，如图2所示，在目标数据初次写入所述固态硬盘时，用第一码率的纠错码对所述目标数据进行编码，所述第一码率为最高码率。例如，在数据初次写入时，用最高码率（R1）的ECC码对初次写入的数据进行编码。由于写入的物理存储空间通常是刚刚擦除过的，其数据可靠性比较高，因此该编码方式既可以控制写放大，又减少了读取时的译码延时和功耗。
在一些实施方式中，所述判断数据刷新效应包括：
检查所述目标数据所在的物理存储空间的驻留时间和读取频次；
在所述驻留时间大于预设驻留时间门限且所述读取频次小于读取频次门限时，判定所述数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误；
在所述读取频次大于所述读取频次门限时，判定所述数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误。
具体地，固态硬盘在没有主机请求的空闲时段，会对存放有效数据的物理存储空间进行巡检操作，即依次读出这些存储空间内的全部或部分数据，进行ECC解码。根据ECC错误反馈执行数据刷新。其中有效数据指没有被标记为“失效”的数据。
现有技术中如果读出的数据ECC解码失败，通常的做法是进行数据恢复，并在稍后空闲时完成剩下的数据刷新任务。本发明实施方式在此的创新之处在于，在执行数据搬迁之前先检查原数据所在的物理存储空间的驻留（retention）时间T和读取频次F。驻留时间指的是数据在最后一次写入后在存储器中停留的时间。通常***会将其等效换算为某个固定温度下的等效时间。
如图2所示，如果T大于预设驻留时间门限T1，则可以判断是retention时间过长造成的错误比特过多，该数据可归类于“冷数据”。在数据搬迁之前，如果当前数据采用的是码率为R1的ECC编码，则在原有的ECC编码基础上，进行强化编码，使其成为码率为R2（R2<R1）的纠错码。完成以上操作后再进行数据搬迁和垃圾回收。这样处理后的数据，即使其经历更长时间的retention，也不会产生ECC解码错误，进而触发数据刷新。其中，可以根据擦写次数，确定所述读取频次门限；例如，预设读取频次门限T1是一个和P/E（擦写次数，program/erase）次数相关的值，P/E次数越大说明器件磨损也严重，相应地读取频次门限T1也要随之减少，即，在擦写次数和读取频次门限成反比。实际应该用中，可以将P/E次数按照2k间隔分为几个区间，在不同的区间采用不同的T1值，原则上，P/E次数越大，T1值越小。
进一步，所述对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码之后，包括：对当前码率为第二码率的目标数据进行无损压缩。也就是说，对于上述“冷数据”，在完成数据搬迁之前，还可以进行无损压缩来减少写放大，提高存储效率。
如图2所示，如果巡检中发现驻留时间小于预设驻留时间门限并且ECC报错的目标数据的读取频次F大于门限F1，则可以认为目标数据是“热数据”，ECC错误主要来自于读串扰（read disturb）效应。在数据恢复后，如果当前编码的码率为R2，将其改回R1，多余的校验比特被标记为无效。这样做可以提高读取的响应速度。
其中，根据固态盘控制器直接记录的驻留时间值或者通过比较重读成功的存放各种重读时的判决电平组合选项和默认判决电平的差值，确定所述驻留时间是否大于预设驻留时间门限。例如，判断retention时间可以采用固态盘控制器直接记录的值，也可以通过比较重读成功的retry table（存放各种重读时的判决电平组合）选项和默认判决电平的差值来获取。当各个判决电平都比默认电平低，尤其是高电平区间的判决电平低到超过一定门限后，就可认为retention效应是造成ECC错误的主要因素。当然在一些实施方式中还有一种可能，存储控制器通常会根据retention的长短配置多个retry table选项，根据最后retry read成功的table选项也可以粗略地判断retention时间是否超过门限。
在一些实施方式中，为了降低在两种码率之间切换的复杂度，采用一种特殊结构的LDPC（低密度奇偶校验码）。这种码的校验矩阵具有特殊的结构可以是raptor-like结构：
Figure 99401DEST_PATH_IMAGE001
其中，C为核心矩阵，对应码率为R1的校验矩阵。Z是0矩阵；E是一个稀疏矩阵；I是单位对角阵，行数和E的相等。实际上，E和I组成了一个单奇偶校验码。完整的H对应码率为R2的校验矩阵。使用这种结构的校验矩阵的好处是，要获取码率为R2的码字不需要重新编码，只要根据E和I就可以获得新增的校验比特。而从R2恢复为R1则只需要将增加的校验比特标记为失效即可。
本发明实施例的各个实施方式用非常低的资源开销，实现了降低后续的数据刷新率，提高固态硬盘的服务质量，提高了固态硬盘的可靠性。并且，对于冷热数据也实现了满足各自需求的分级可靠度管理。还可以采用一种特殊结构的LDPC码来实现两种码率编码的切换，降低在两种码率之间切换的复杂度。
实施例二
本发明实施例提供一种存储设备，所述存储设备包括：存储器、控制器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述控制器执行时，实现如实施例一至实施例二中任一项所述的固态硬盘的数据管理方法的步骤。
实施例三
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有固态硬盘的数据管理程序，所述固态硬盘的数据管理程序被控制器执行时，实现如实施例一至实施例二中任一项所述的固态硬盘的数据管理方法的步骤。
实施例二和三在具体实现过程中，可以参阅实施例一，具有相应的技术效果。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种固态硬盘的数据管理方法，其特征在于，所述固态硬盘的数据管理方法包括：
在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应；
在对引起数据刷新的目标数据进行恢复过程中，采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码；
所述采用与判定的数据刷新效应对应码率的纠错码对所述目标数据进行编码，包括：
在判定的数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误时，对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码；
在判定的数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误时，恢复第二码率的目标数据的编码，使所述目标数据的当前码率切换为第一码率的纠错码；
所述判断数据刷新效应包括：检查所述目标数据所在的物理存储空间的驻留时间和读取频次；在所述驻留时间大于预设驻留时间门限时，判定所述数据刷新效应为驻留时间造成的纠错码错误；在所述驻留时间小于预设驻留时间门限并且所述读取频次大于所述读取频次门限时，判定所述数据刷新效应为读串扰造成的纠错码错误。
2.根据权利要求1所述的固态硬盘的数据管理方法，其特征在于，所述第一码率小于所述第二码率。
3.根据权利要求2所述的固态硬盘的数据管理方法，其特征在于，所述在对固态硬盘进行数据刷新过程中，判断数据刷新效应之前包括：
在目标数据初次写入所述固态硬盘时，用第一码率的纠错码对所述目标数据进行编码，所述第一码率为最高码率。
4.根据权利要求1所述的固态硬盘的数据管理方法，其特征在于，所述对第一码率的目标数据进行强化编码，使所述目标数据的当前码率切换为第二码率的纠错码之后，包括：
对当前码率为第二码率的目标数据进行无损压缩。
5.根据权利要求1所述的固态硬盘的数据管理方法，其特征在于，采用如下低密度奇偶校验码对所述第一码率和所述第二码率进行切换：
Figure FDA0003924664800000021
其中，C为核心矩阵，对应码率为第一码率的校验矩阵；Z是0矩阵；E是一个稀疏矩阵；I是单位对角阵，行数和E的相等；E和I组成了一个单奇偶校验码；H对应码率为第二码率的校验矩阵。
6.根据权利要求1所述的固态硬盘的数据管理方法，其特征在于，所述固态硬盘的数据管理方法还包括：
根据擦写次数，确定所述读取频次门限；
根据固态盘控制器直接记录的驻留时间值或者通过比较重读成功的存放各种重读时的判决电平组合选项，确定所述驻留时间是否大于预设驻留时间门限。
7.一种存储设备，其特征在于，所述存储设备包括：存储器、控制器及存储在所述存储器上并可在所述控制器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述控制器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的固态硬盘的数据管理方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有固态硬盘的数据管理程序，所述固态硬盘的数据管理程序被控制器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的固态硬盘的数据管理方法的步骤。
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