[发明专利]一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法

说明书

本发明涉及一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法，存储装置包括设有主机接口的主控芯片和NAND芯片，所述NAND芯片和主控芯片相互连接，所述主控芯片还与MRAM芯片相连，所述MRAM芯片中至少一部分是具有内容寻址功能的MRAM；所述MRAM芯片用于写缓存或读写缓存；所述具有内容寻址功能的MRAM中储存一个缓存表，所述缓存表记录每一个缓存页的对应NAND页的地址和必要信息。在发生写NAND操作时，MRAM芯片把最近一段时间经常发生写入操作的NAND页留在缓存里而不写回到NAND芯片；在发生读写NAND操作时，利用具有内容寻址的MRAM，在缓存表中搜索NAND页地址。本发明能够提高缓存速度。

技术领域

本发明涉及数据存储技术领域，特别是涉及一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法。

背景技术

现在的智能手机、平板电脑，以及越来越多的计算机中，用户数据、文件被存在NAND闪存芯片中。

NAND闪存芯片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block往往由很多page组成，block擦除后里面的page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。

NAND闪存的一个问题是NAND闪存芯片具有有限的寿命。里面的每一个page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闪存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。

NAND闪存技术的发展推动了固态硬盘(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，用于协助计算和缓存数据的DDR内存，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成。

智能手机中使用的eMMC和SD等各种存储卡的架构与SSD类似。差别在于与主机接口的协议不同，而通常不用DRAM，而用少量集成在controller芯片内部的SRAM。

在软件层面，手机和计算机的架构如图2所示：应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；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；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page，写block等指令。在计算机和智能手机中，NAND读写软件通常在SSD或存储卡内部的Controller芯片上运行。

NAND缓慢的读写速度和有限的寿命都是当代存储技术的大问题。因此在存储设备中引入MRAM作为缓存，既提高了性能，又通过减少NAND写入次数延长了产品的寿命。但是，NAND管理软件在读写时需要逐一查找MRAM缓存页。当缓存越来越大时，查找缓存页耗费的时间就越长，反而影响了性能。

例如：如果有1GB的MRAM缓存，而每一个NAND页的大小是16KB，那么缓存中最多有64000个NAND页。一般Controller芯片中的CPU进行一次比对至少也需要5个时钟周期。那么搜索缓存最坏情况下需要320000个时钟。如果Controller芯片运行的速度是400MHz，那么每次读写因搜索缓存的时间延迟达到0.8ms。对于现代高性能的SSD，这已经是难以忍受的性能牺牲。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法，能够提高缓存速度。

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。