大容量存储数据的应用研究

1 绪论

1.1课题的背景与研究意义

随着科学技术的发展，通讯、导弹、航空航天等领域所需要存储的数据在飞速的增长，越来越多的场合需要用到大容量存储数据的解决方案，然而传统的基于硬盘、SD/MMC卡的存储方案，虽然能实现大容量存储数据的功能，但无论是系统成本、体积、功耗、易用性和可靠性等方面都不尽如人意，因此怎样有效的存储大量数据，并且能够保证其高速存取，就成为一个必须要解决的大问题[1]。

存储是数据之家。信息技术的三个最基本概念是处理、传输、存储，任何信息基础的设施与设备都是经过这三者的组合而成的。

对于一个大容量的存储数据系统，人们关注的问题是其纠错能力，传输速度和操作安装的简易性。而其中的关键技术是数据通讯技术。与此同时，对于一个系统，我们还需要考虑扩大存储容量、提高读写速度、减小体积和质量、降低功耗的问题[2]。

因此本课题就是要设计出一套能以较低的成本与功耗，而实现高速的、大容量的、高可靠性的数据存储解决方案。基于本文的具体应用，是在一个数据采集系统中对采集的数据、图像、声音、大容量影音录像的存储；以及对编程的代码、编码、译码、链接、软件类库的存储。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

目前我们常用的存储技术有三种：半导体存储(RAM、ROM、Flash)技术的特点是存储速度快，容量小；而磁存储(硬盘、软盘、磁带)技术的特点是容量大，速度慢；光存储(CD、DVD、MO、PC、BD、全息)综合了两者的优点，有高存储密度、高信息输入速率、快速随机存取信息及存储寿命长等特点[3]，但还达不到我们所需要的存储容量和速度。我们需要的是一种更加理想的存储技术，采用“固态RAM”，使得容量堪比硬盘，速度堪比内存，并且掉电后不丢失信息。下面将简单的介绍一下近些年国内发展出来的一些存储器：

中国科学院空间科学与应用研究中心是国内最早在卫星上采用固态存储器的单位之一[4]，并且在实践5号中率先采用了以SDRAM为介质的固态大容量存储器，使得存储

容量达到了512Mbit。而且为了应对空间单粒子翻转现象，采用了软件R—S编码纠错的方法。而且在后来的嫦娥一号卫星上采用的大容量存储器的容量已经达到了48Gbit，并且可以在此基础上根据需要进行扩展。

而在最近的嫦娥二号卫星上则采用了NAND型FLASH存储芯片固态大容量存储器,其存储容量达到了128Gbit。并且为了提高其存储和擦除的速率，采用了并行扩展加流水线操作的方式，其最高存储速率可达到500Mbit/s[5]。

1.2.2 国外研究现状

大容量存储技术在国外发展非常迅速。新的存储介质不断推出，新的存储体系不断涌现。数据存储的介质从磁带、光盘，到现在的磁盘、半导体，存储的速度越来越快、存储的容量越来越大。从发展的趋势来看，主要是依靠新的存储介质或是采用新的存储体系结构来提高存储带宽和容量。许多著名的厂商都在致力于新的高速、大容量硬磁盘和半导体存储技术的研究，新的应用产品不断出现。国际上是八十年代末九十年代初开始研制固态大容量数据存储器的，1996年开始投入商业使用。国际研制和生产固态存储器的厂商很多，早期多用于空间技术：

在2007年发射的德国卫星TerraSAR卫星上，固存容量为256Gbit，最高数据存储速率为300Mbit/s。而最近的印度卫星RISAT-1卫星上，固存容量为240Gbit，最高数据存储速率为4×160Mbit/s[6]。

美国的SEAKR公司生产的P9系列固态大容量存储器是以SDRAM为存储介质的[4]，容量最大可达到512Gbit，其最大传输速率为300Mbit/s，接口方式有模拟、并行数字及串行数字三种。它还采用了EDAC检错纠错技术来保证其数据的正确。

Fairchild 公司研制的高速大容量存储器主要是用于航空侦察的，它采用闪存为主要存储芯片。Fairchild公司曾在20世纪90年代中期将SSR用于F-16战斗机的侦察舱中[7]，其存储容量为54.4Gbit，最大写入带宽为240Mbit/s。

VCI公司是国际上SSR的主要供应商之一，其技术特点是采用层次化设计，可以根据需要扩展存储容量，有较高的存储密度，可以同时读写并且实现低功耗，还应用了EDAC算法来检错纠错[8]。其容量最高可达16Tbit，传输速率可达150Mbit/s。

1.3大容量存储数据系统发展趋势

大容量存储数据系统经过长期的发展，由于存储介质密度已经到了接近极限的地

步，所以要实现存储容量的扩展，就需要发明新的存储介质。而提升存储带宽则要借助于新的总线技术和接口技术。另外，存储体系结构的优化也能提高数据存储的速率。最后，容错性措施对大容量存储数据系统的有效性也具有很重大的影响，也是一个重要的研究方向。

1.3.1体系

考虑到系统的扩展和重构，目前的大容量存储数据系统一般会采用标准化的体系结构，系统内部会采用Compact PCI或VME等标准总线。为了对海量数据进行更加有效的管理以及对数据存取带宽进行大幅度提高，势必要推出新的体系结构和标准总线。1.3.2可靠性

可靠性也是关系到存储器性能的一个重要指标。为保证数据的有效性和正确性，大容量存储数据系统需要采用多种可靠性措施。比如以减小存储错误率为目的的采用硬件实现的错误探测/错误更正(EDC、IECC)算法；为避免故障坏块的影响而采用的自适应故障检测、隔离技术；为提高系统的稳定性而采用的抗辐射加固技术。

1.4 本文研究内容

当前雷达、通信等领域中，要求存储系统带宽GB/s，容量为TB级别。因此，研究大容量存储数据具有极其重要的现实意义。

固态存储器(Solid State Memory，SSM)在数据存储中得到了越来越广泛的应用。SSM 具有存储密度高、可靠性好、功耗小、访问速度快、成本低等特点。但是目前的SSM[9]，在存储大规模数据时仍然存在着一定的存取速度限制。

目前最常用DRAM和NAND Flash作为SSM的半导体存储介质[10]。但是，DRAM的存储密度较低，且易失，需要通过定期刷新来保持数据，因此以DRAM为介质的SSM很少用在新型存储设备中[11]。而NAND Flash的存储密度较高，其存储的数据可以在断电后保持，所以应用非常广泛[12]。但由于它的访问速度较慢，因此，目前学术界和工业界所亟待解决的问题是如何实现高速访问NAND Flash的存储阵列。

本文研究实现一种高性能的大容量数据存储系统。该系统是采用NAND型FLASH 作为基本存储介质，可靠性高、环境适应性强、体积小、重量轻，可以实现1024GB的海量存储和4GB/s的写入带宽，具有广阔的发展前景。

研究的主要工作如下：