一种dram与mram结合具有备份电源的固态硬盘的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及存储设备，具体涉及一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘。
【背景技术】
[0002]当前，NAND闪存技术的发展推动了 SSD产业。如图1所示，SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于支持计算和缓存数据的DDR DRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成。有时候还需要断电保护系统。
[0003]NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。
[0004]NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个页经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND芯片的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。
[0005]因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件系统软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。
[0006]由于NAND芯片擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑物理地址对照表是不断动态更新的。
[0007]逻辑物理地址对照表的大小正比于存储设备的总容量，存储在DDR DRAM里，另外在NAND芯片中也有相应的备份信息。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。
[0008]由于NAND的读写速度比DRAM慢得多，还可以利用一部分DRAM空间作读、写的缓存(Cache)，以提高整个SSD的性能。
[0009]然而引入写缓存产生了新的问题:一旦发生断电，DRAM缓存中尚未写入NAND的内容会丢失，造成系统丢失数据甚至整个文件系统的损坏。因此必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护系统(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。
[0010]关于MRAM:
[0011]MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM—样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。
[0012]MRAM的经济性相当好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。MRAM的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash，与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。
[0013]关于操作系统和软件:
[0014]如图2所示，计算机的文件操作方式如下:
[0015](I)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；
[0016](2)操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指令；
[0017](3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优化，向芯片发出读写page，擦除block等指令。
[0018]在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯片上运行。
[0019]使用MRAM作为存储设备中的写缓存，既能提高写入速度，又能省掉断电保护系统，当采用一些策略将经常进行写操作的NAND页尽量留在写缓存中，可以减少写入NAND芯片的次数，延长产品的使用寿命。
[0020]然而MRAM在未来一段时间内价格会很高，容量会偏小，较小的缓存容量会限制固态硬盘的性能，特别是对于短时间内数据冲击的抵抗能力，也会弱化MRAM对NAND芯片的保护作用。
[0021 ] 而逻辑物理地址对照表很大时，不可能整个存储在MRAM中；而逻辑物理地址对照表又是随时改变的。按现在通用的算法，每发生一次写操作，都会有相应的逻辑物理地址对照表更改。因此也不可能把它保存在NAND芯片中。
[0022]因而需要找到一种更好的固态硬盘，既能够具有较大的缓存容量，又能够安全地存储逻辑物理地址对照表，以保证固态硬盘的读写性能。
【发明内容】
[0023]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，既能够具有较大的缓存容量，又能够安全地存储逻辑物理地址对照表，以保证固态硬盘的读写性能。
[0024]如果使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM，固然可以安全地进行写缓存以及存储逻辑物理地址对照表，但未来相当长一段时间内，MRAM仍然会比DRAM贵很多，容量会偏小，较小的缓存容量会限制固态硬盘的性能，特别是对于短时间内数据冲击的抵抗能力，也会弱化MRAM对NAND芯片的保护作用。
[0025]本发明在固态硬盘中，混合使用MRAM和DRAM，且使用具有备份电源，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优。
[0026]但是写缓存越大，发生断电时把它写回到NAND芯片中需要的时间就越长。同时可能需要写回的还有逻辑物理地址对照表的更新。因此需要优化布局，使得这些内容可以最快地写回去，这样在配备同样的备份电源的条件下，就能够使用DRAM中更大的写缓存。
[0027]把缓存的数据写回到NAND芯片的时间，在不同的情况下，是有很大的差别的。如果是在现有的数据上修改，可能需要把含有很多页的整个块读出来，至少整个块要擦除再重新写一遍。这个时间是非常长的。以现在市场上的某型NAND为例，一个块有512页，每页I6KB的容量，擦除需要3ms，写一页需要1.6ms，整个块擦除再重写需要822ms，时间非常长。
[0028]把逻辑物理地址对照表的更新写回到NAND就属于这种情况。因为这个表格在NAND中存储已经不能使用逻辑地址了，一般只能存储在NAND中固定的物理地址，更新一般只能在原来的地址上更新。这样，任何一个逻辑物理地址对照表的小修改都需要822ms，这将需要相当大的超级电容。如果在同一个Plane中不同的块都需要修改，这样的修改只能顺序进行，时间还要成倍地增加。
[0029]而把普通的写缓存页写回到NAND芯片，则可以非常快。NAND管理软件会挑选一个已经擦除过的空闲页写入，写一页只需要1.6ms，只是逻辑物理地址对照表需要同步更新。更重要的是，很多的页可以平行地写入。还以同样型号的NAND芯片为例，一个ITB的硬盘可以由8个ITb的芯片组成，每个芯片内部有8个硅片，每个硅片有2个Plane，一共8x8x2=128个页(2MB)可以在略多于1.6ms完成写入。
[0030]所以，较优的策略是把逻辑物理地址的更新保存在MRAM中。这样能够使用更大的DRAM写缓存。
[0031 ] 本发明提供一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM, MRAM、一个或多个NAND芯片以及备份电源，主控芯片包括CPU ；NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，DRAM包括写缓存或读写缓存，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，MRAM包括更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。
[0032]本发明提供的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优
[0033]进一步地，更新表中的更新记录的数目大于或等于设定值，使用更新记录更新NAND芯片中的逻辑物理地址对照表，并删除更新记录。
[0034]进一步地，在发生断电时，利用备份电源，将写缓存或读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录。写回已经擦除过的空闲页，写一页速度很快，大约只需要1.6ms，能够极大提高固态硬盘的性會K。
[0035]进一步地，将写缓存或读写缓存中的缓存页平行地写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页。平行地写回到NAND芯片中，能够进一步提高固态硬盘的性能。
[0036]进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录；CPU在读写操作时，使用DRAM中的逻辑物理地址对照表与更新表进行地址翻译。
[0037]进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录；并更新DRAM中的逻辑物理地址对照表，CPU在读写操作时使用DRAM中的逻辑物理地址对照表进行地址翻译。
[0038]进一步地，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM后，使用更新表中的更新记录更新DRAM中的逻辑物理地址对照表。
[0039]进一步地，MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接，或者MRAM集成在主控芯片中。由于MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半