这篇文档属于类型a，是一篇关于提升基于对象的NAND闪存设备写入性能和耐久性的原创研究。以下是详细报告：
主要作者及研究机构
本研究由Jie Guo和Chuhan Min（匹兹堡大学）、Tao Cai（江苏大学）、Yiran Chen（杜克大学）共同完成，于2017年11月发表在《ACM Transactions on Embedded Computing Systems》期刊上。
学术背景
NAND闪存因其制造成本低和非易失性，在现代存储系统中取得了显著成功。然而，NAND闪存存在“先擦除后写入”的限制，导致写入放大（write amplification），进而影响系统性能和耐久性。随着技术节点的缩小，NAND闪存的写入性能和耐久性持续下降，最小化写入放大成为提升闪存存储系统性能和可靠性的关键。
在基于对象的NAND闪存设备（ONFD）中，写入放大的主要来源包括ONode部分更新（onode partial update）和级联更新（cascading update）。ONode是一种小型对象元数据，多个ONode存储在一个NAND闪存页中。更新一个ONode会引发部分页更新，导致未更新数据的迁移。级联更新则由于对象数据更新或迁移，导致对象元数据以级联方式更新。尽管只需更新几个字节的元数据，但整个页或多个页必须重写，造成显著的写入放大。
本研究旨在通过系统设计缓解ONFD中的写入放大问题，提出了多级垃圾回收技术（MLGC）、语义感知灵活数据布局（SAF）、B+表树（B+ table tree）、选择性缓存（selective cache）和电源故障处理技术。
研究流程
1. 多级垃圾回收技术（MLGC）
MLGC通过记录无效字节信息，减少由ONode部分更新引发的数据迁移。MLGC使用字节状态垃圾回收表（byte-state GC table）记录无效字节信息，并通过分组和批量迁移有效数据来减少数据迁移。为了控制内存消耗，MLGC引入了页位图表（page bitmap table）和有限大小的字节状态垃圾回收表。
语义感知灵活数据布局（SAF）
SAF通过将对象元数据和对象数据存储在同一页中，减少级联更新。SAF采用默认和扩展两种ONode格式，根据对象数据大小和访问模式动态选择格式。扩展格式允许将对象数据或索引与属性存储在同一页中，减少未更新数据的迁移。
B+表树（B+ table tree）
B+表树通过虚拟地址（VA）替代物理地址（PA），减少级联更新。B+表树由扩展B+树和页表组成，页表存储虚拟地址与物理地址的映射关系。通过优化页表结构，B+表树有效减少了对象索引的更新。
选择性缓存（selective cache）
选择性缓存通过缓存更新的对象元数据，减少级联更新。缓存采用数据类型依赖的缓存策略和节点依赖的缓存替换策略，最大化缓存利用率。选择性缓存仅缓存对象索引和更新的属性，减少对NAND闪存的写入操作。
电源故障处理技术
电源故障处理技术通过页元数据和可靠电容器恢复系统一致性。页元数据包括对象ID、序列号（SN）和虚拟地址，用于在电源故障后恢复字节状态垃圾回收表、页表和选择性缓存。
主要结果
1. MLGC
实验结果表明，MLGC在4MB字节状态垃圾回收表下，平均减少了11%的页写入操作，ONode写入操作减少了65%。在读取密集型工作负载下，MLGC的页写入操作减少了83%。
B+表树
B+表树在TPCC工作负载下，页写入操作减少了9%，对象索引写入操作减少了77%，ONode写入操作减少了35%。在顺序写入工作负载下，B+表树的写入操作减少较少，但仍显著降低了对象索引的更新。
选择性缓存
选择性缓存在2MB缓存下，页写入操作平均减少了15%，对象索引写入操作减少了90%。在TPCC工作负载下，页写入操作减少了30%，对象索引写入操作减少了95%。
SAF数据布局
SAF数据布局在IPAGE工作负载下，页写入操作减少了6%。在大型文件写入工作负载下，SAF的写入性能提升较小。
结论
本研究通过MLGC、SAF数据布局、B+表树和选择性缓存，有效减少了ONFD中的写入放大问题。实验结果表明，与现有技术相比，本研究提出的设计在页写入操作上减少了20%，系统寿命延长了76%。这些技术不仅提升了NAND闪存的写入性能和耐久性，还为未来闪存存储系统的优化提供了新的思路。
研究亮点
1. 多级垃圾回收技术（MLGC）：通过分组和批量迁移有效数据，显著减少了ONode部分更新引发的数据迁移。 2. 语义感知灵活数据布局（SAF）：根据对象数据大小和访问模式动态选择ONode格式，减少未更新数据的迁移。 3. B+表树（B+ table tree）：通过虚拟地址替代物理地址，减少了对象索引的级联更新。 4. 选择性缓存（selective cache）：通过缓存更新的对象元数据，最大化缓存利用率，减少对NAND闪存的写入操作。
其他有价值内容
本研究还提出了电源故障处理技术，通过页元数据和可靠电容器恢复系统一致性，确保在电源故障后系统能够快速恢复。这一技术为NAND闪存存储系统的可靠性提供了重要保障。