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随着数据规模的爆炸式增长,大数据存储对更高性能、更大容量、更低价格的存储芯片的需求也随之增长。在过去的十年中,闪存以其性能好、抗震、轻便等优异特性已经逐步成为替代机械硬盘的存储器件。但是受限于存储单元尺寸的物理极限,闪存持续发展遭遇瓶颈。三维堆叠结构的闪存架构的出现为解决存储容量问题提供了可行的方案。然而,采用传统的闪存转换层(Flash Translation Layer,FTL)方法管理3D闪存空间会产生性能和可靠性的问题,包括闪存块内页数和闪存页容量增大导致存储空间利用率下降、数据传输时间浪费、垃圾回收开销进一步增大,影响闪存设备性能。3D闪存内部编程干扰相比2D闪存更加严重,导致使用过程中产生更多的比特错误,影响闪存设备可靠性。论文针对3D闪存管理中存在的问题,将FTL管理与闪存特性相结合来进行优化,构建高性能、高可靠的3D闪存设备。3D闪存页容量不断增大,而现有的FTL方案以闪存页和块为粒度进行映射,使得设备在处理小请求时引入更多冗余数据传输,严重影响闪存空间利用率和性能。提出了基于重复编程特性的多次闪存子页写入技术,降低固态盘响应时间,减少闪存擦除次数。其核心思想是将闪存页划分为若干个闪存子页,并能够在不进行擦除的情况下,分多次来使用这些闪存子页写入数据。设计了面向单层单元(Single-Level Cell,SLC)型闪存的多次子页写入技术(Mapping Granularity Adaptive FTL,MGA-FTL),其特点是:基于闪存重复编程特性,用单个闪存页内的不同子页分别响应多次小写请求,并使用两级映射表来控制子页映射表的内存开销;提出了分配算法来决定不同逻辑页是否可以存储在同一个物理页中,平衡空间利用率与性能。设计了面向多层单元(Multi-Level Cell,MLC)型闪存的多次子页写入技术(Multiple SubPage Writing FTL,MSPW-FTL),其特点是:利用闪存的双模操作,使用SLC模式进行多次子页小写,并对双模转换的元数据进行管理,防止数据崩溃;针对数据碎片化问题,通过时间局部性特征判断读密集型数据,提出了读密集感知的更新方法和子页合并方法来减少数据碎片。实验结果显示,固态盘使用MGA-FTL方案相比于页映射可以降低53%的固态盘平均响应时间,减少闪存30%的写放大和40%的擦除次数。使用MSPW-FTL方案可以降低57.2%的固态盘平均响应时间,减少闪存52.1%的写放大和34.1%的擦除次数。单颗3D闪存芯片容量不断增大,导致构建相同容量闪存设备所使用芯片数目减少,造成设备通道中可并行资源减少,通道带宽保障面临更加严峻的挑战。提出了基于闪存读写不对称特性的通道带宽优化技术(Maximizing Bandwidth Management,MBM),降低固态盘响应时间和尾延迟,提升I/O带宽。通过多级并行的读写操作时序与通道带宽利用率关系的分析,提出了并行度加强的写策略和并行度放松的读策略。写策略设计了分配活动块和回收活动块分离的方法来保障芯片内部写并行性,并通过多通道间的负载均衡和全局分配的请求调度,最大化晶圆级和分组级的写并行度。读策略侧重于保证早发起的请求先完成,减少不同请求混合执行来降低请求响应时间。实验结果显示,MBM方案相比绑定多分组中物理块的方案减少了43.6%的平均响应延迟,提升了2.1倍I/O带宽。MBM减轻了运行期间的性能抖动问题,降低了设备尾延迟,特别是99到99.999百分位的尾延迟降低效果明显。3D闪存单元由于受到相邻层单元的额外干扰,编程干扰变得更加严重,导致读取数据的比特出错率相比于2D闪存增大。提出了基于干扰补偿的读写优化管理技术(Disturbance Compensation and Data Clustering,DC~2),降低了比特出错率,提升设备性能。分析了3D闪存物理页排布特征,定量分析了闪存单元受到来自相同层和相邻层其他闪存单元的干扰量,提出了干扰补偿的编程方法。只写入部分页的闪存块中最新写入的页附近闪存页称为边界页,分析发现边界页更有可能发生比特错误。3D结构中边界页数目大大增加,针对读边界页出错设计了读电压偏移机制,根据出错页物理位置,设置不同偏移读电压以获得更好的读窗口。设计人工补偿机制,通过向边界页附近写入无效数据,补偿其阈值电压来提升可靠性。分析负载发现只进行了少量更新的数据占据了绝大部分逻辑地址空间,设计了多级队列分配方法来分离不同更新频度的数据以实现数据聚类从而提升整体性能。实验结果显示,DC~2相比传统页映射方案至少可以降低82%的比特错误率,分别减少了31.2%的写放大、14.6%的擦除次数和22.2%的平均响应时间,并且相比现有的冷热数据分离策略,DC~2在块内页数显著增大的环境下能获得更好的性能。