作者：李大虾
dvsFTL
在不影响其他Nand要求的情况下，提高Nand持久度而设计的基于DeVTS的FTL叫dvsFTL。基于Nand持久度模型，动态改变擦除尺度模式和写性能调整模式。
dvsFTL架构如下：
DeVTS Manager是关键模块，它选择最合适的擦除尺度模式和写性能调整模式，以达到给定写请求的性能和保持力的要求。
写性能要求的write-speed mode(WSmode)和erase-speed mode(ESmode)根据write buffer来估算。
保持力要求的write-retention mode(WRmode)通过retention-time predictor来预测。
DeVTS Manager通过选择写性能调整模式决定erase-voltage mode(EVmode)。
retention keeper周期检查写入数据的剩余retention时间，如果到期就重新写入到另一个Page。
mapping table除了logical到physical的地址映射信息还会额外存放每个block的mode信息（比如erase/write mode和ΣEW）。
注：可以通过Device Setting来配置不同Nand Device的write/erase mode。
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Write-Speed Mode选择
最适合的Write-Speed Mode：在可变的write-mode中存在最慢write-mode，但不影响整体性能。
DeVTS manager里面的Wmode selector通过使用上图中的uwb评估给定写请求的写性能要求，uwb在运行时反应从系统host端到来数据速度rin和写到flash里面的速度rout的差，因此rin<rout，uwb会减少，在这种情况下就不用最大化写性能（可以适当慢写）。相反，rin>rout，uwb增加，则要求尽可能快的写。
图中设置了三级写性能要求，uwb小于0.33时候，从buffer写到nand page使用WSmode2（最低写入速度）；uwb大于0.66时候，使用WSmode0最快写入速度。
当Garbage Collection发生时候，rout会明显减少，例如GC操作50%的Nand空间，rout会减少50%，如果rout降到rin以下使uwb增加，最快写入模式能缓解GC带来的影响。
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Write-Retention Mode选择
Wmode selector为给定预测未来更新时间的写请求提供最适当的write-retention mode。
首先在预测的周期内执行，这个时间要比Nand设备本身的短很多，Wmode Selector就会选择WRmode short来执行。当预测未来retention时间要求不正确，reclaim程序被调用，用来保护数据的持久性。然而太过频繁的reclaim操作会降低retention的能力，因此要减少reclaim page的数目和overhead reclaim。
我们从两个层面上解决上述问题：retention时间预测的资源优化和retention管理的技术要求。
（1）Retention要求预测：
依据：最近请求的平均更新间隔
实现：每当一个LBA的写请求发生，该LBA映射的多维计数器增加。为了更新间隔和预测最短保持时间比较，所有计数器必须在指定的时间内减少。比如更新间隔短语预测最短保持时间，则计数器值增加，相反减少。多个周期后，计数器值大于预设的阈值，保持时间预测器认为最近更新间隔平均要短于预测最短保持时间，也就意味着最近该写请求更新频繁，可以用空间局部性原理改善。
技巧：为每个LBA设计计数器实在是太浪费，如图所示，使用3个hash函数仅保留有限个计数器。这个技巧值得仔细研究一下。
（2）最大化Endurance效果：
这个就要求减少误判断了，降低reclaim。
误预测控制：hash冲突是误预测的根源。如图所示，hash冲突无意的增加了cold data的计数器，因此会被认为是短保留数据，这种数据被定义为false-short，最终被reclaim。
误预测控制，就是如图所示增加反馈寄存器，检测数据被reclaim就设为1，依次来阻止后面出现的连续误预测。如果反馈寄存器都被设置了1，retention-time predictor就会增加决策阈值水平。
例子：一个写请求的计数器值为15、12、4，假设预测阈值是4，但所有反馈寄存器位为1，这个写请求被认为是长保留数据，因为预测阈值会被从4提高到8。
如果预测正确（例如写到短保留时间会在最短保持时间内更新），反馈寄存器会被重设为0，并且预测阈值恢复正常。
选择性保持调整：当太多的page被reclaim，就要暂停保持能力调整。
例子：假设每个block有100个page，组合WRmode short和WSmode0写5000个page，首先50个block会在EVmode 2被擦除（有效的wearing是0.59），根据原理部分介绍，保持力调整写的总endurance收益在20.5（=（1-0.59）*50）。每个block的60个page会被WRmode long reclaim的话，在reclaim期间就有30（=60*50/100）个block会被EVmode 0擦除。因此reclaim写导致总的endurance失去部分是23.4（=0.78*30）。所以失去要比收益的大。
因此就不能用short-retention的写模式，这就要求计算收支平衡点。对于例子来说，每个block的收支平衡点reclaim page数目在52.6（=（1-0.59）/0.78*100）。retention keeper会持续地监控每个block的平均reclaim的page数目，当大于这个收支平衡点，就会暂停保持能力调整，忽略保持时间预测，选择WRmode long的模式。如果小于就重新启动保持能力调整。
（3）最小化Reclaim Overhead：
由于比较难的预估误预测，就有了最小化reclaim overhead的需求。reclaim目标是保护WRmode short存储的数据耐久性，在deadline到期之前为了可靠的重写误预测的数据，retention keeper会周期地检查剩余retention时间，这也是一件很消耗系统资源的程序。因此设计了一个简单有效的reclaim技术：
如图所示，设置两个区域，一个是short-retention region，另一个是long-retention region；当要写short-retention的数据，会从free block region选择一个free block id和写入时间插入到retention keeper的retention队列中。虽然这个block的后面写入时间不同，但是用第一个写入block的时间作为该block的最差dead-line是很好的选择。retention队列可以选择FIFO的方式，每个block的剩余retention时间就是自动的升序排列，方便检查。当retention keeper检测到某个retention dead-line到了，错误预测的page所在的block在reclaim过程中变为free block，并且使用WRmode long将数据写到long-retention region。
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Erase-Voltage模式选择
选择合适的erase-voltage是dvsFTL的关键，使用EVmode5（最低erase-voltage）可以增大Nand endurance，此时必须选择WSmode2（最慢写模式），这时写的性能退化明显。
如果reclaim的时候，EVmode5模式用于近期会被更新的hot data block，浅擦的block会被cold data写，这样endurance收益就会变得很差。当全部使用EVmode0（最高erase-voltage），维持全部的write-performance也达不到潜在的性能。因此评估未来写请求的要求，同样是选择正确的erase-voltage模式的关键步骤。
前台GC过程，Wmode selector会选择接收到的写请求的write-speed和write-retention模式，被擦除块会选择NAND endurance模型中相对应的erase-voltage。比如∑EW小于0.5K时，选择WRmode short和WSmode 0，Emode selector会选择EVmode 2作为合适的erase-voltage。
后台GC过程，难以预估顺序的写请求，因为后台GC运行在写请求没有被调用时候，因此Emode selector延迟决定正确的erase-voltage模式，选择默认的EVmode 5（浅擦，最低erase-voltage），如果这个block没有被写满，下一个写请求就不用再选择，直接写入。如果选择的写模式不能兼容EVmode 5，选择的块会额外的使用lazy erase（懒擦除）操作（latency小于1000us），虽然block的第一个page写延时增加77%，但是由于lazy erase推进第一个page的写，整体写性能的负面影响只要0.6%，而DeVTS可以充分利用寿命的增加。
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Erase-Speed模式选择
Emode selector选择正确的erase-speed模式能提供额外的寿命并不影响整体的写性能。由于在erase期间，写请求的数据在缓存中不能被写入Nand中，当持续写请求，buffer的利用率增加。根据buffer利用情况来判断使用ESmode fast还是ESmode slow。判断标准是当前buffer的使用率和erase期间增加的buffer使用率总和U*。
如果U*大于1选择ESmode fast，否则额外检查ESmode slow的结果在当前的write-speed模式下。如果U*增加到当前缓存利用率分界之上（0.33或0.66，参见第一节介绍配图），写请求将会使用快速写模式，这时候由于endurance收益在慢擦模式下小于快写模式。参见下图（图中数值代表有效磨损，值越大，磨损越厉害）：
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可以看出ESmode slow是一个适合的选择，既不影响整体写性能而且提高了寿命。
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DeVTS-Aware Garbage Collection
GC程序被调用，为数据copy选择一个合适的write-speed模式也最大化DeVTS效率的挑战。如果有效数据copy一直选择快速写模式，性能会很好。然而由于深度擦除（兼容快速写模式）被频繁使用，增加擦除电压不可避免。相反，如果数据copy过程中一直使用慢写模式，写性能会明显降低。由于在数据copy过程中，写请求会将数据写入buffer中而不会写入flash。因此buffer利用率根据有效数据copy的大小而增加。因此，buffer的有效利用率在有效数据copy之后的改变反应了模式选择，大于1选择快写模式（WSmode 0），否则选择不影响当前write-speed模式的最快可用写模式。
