近年来，基于闪存存储介质的固态硬盘已经被广泛应用于现代计算机系统，包括嵌入式系统，个人计算机以及数据中心等。相比于传统机械硬盘，固态硬盘具有低功耗，高抗震以及快速随机访问性能等优势。但随着大数据和云存储时代的到来，用户对存储系统的性能、可靠性以及寿命等方面的需求也愈加强烈。因此，闪存固态硬盘存储系统正面临着新的机遇和挑战，如何让固态硬盘提供更为出色的存储表现将成为工业界和学术界的主要研究方向之一。目前，闪存固态硬盘厂商已推出多种新型固态硬盘设计架构，这些新型固态硬盘设计架构具有更为出色的性能、容量以及寿命表现。然而，新型固态硬盘仍然存在着一系列的缺陷和不足，本文将围绕新型固态硬盘所存在的问题进行固态硬盘存储系统的优化研究。
　　首先，本文从固态硬盘的基本结构特性出发，分析其固有的并行结构特征，并利用该并行结构实现存储性能优化。然后，针对新型固态硬盘中电容老化导致的数据丢失问题，本文剔除一种基于数据完整性保护的缓存管理策略。最后，本文研究了新型3D堆叠式固态硬盘中数据重编程问题，提出如何利用数据重编程实现3D固态硬盘的性能和寿命优化研究。本文的主要研究内容如下：
　　①闪存存储系统主要由多层并行结构组成，该并行结构能够提供高并行度的闪存资源，从而使得访问数据能够在多个并行单元上同时被处理。但由于当前访问数据无法感知闪存芯片的使用状态，从而造成访问数据与闪存芯片之间产生访问冲突，导致固态硬盘性能下降。对此，本文利用当前新型固态硬盘中所配置的高速缓存设备，对访问数据进行提前调度和访问位置重分配，最终达到缓解访问数据在访问芯片上的冲突情况，从而提高存储系统的性能。
　　②当前新型固态硬盘均会配置一个易失性缓存用于请求数据的暂存。该方式能够提高闪存固态硬盘的性能。为保证数据在缓存中的一致性，闪存固态硬盘通过配置电容设备的方式，实现断电时对缓存中的数据的断电保护。但由于当前电容设备均会产生老化问题，从而使得其电容量降低，导致缓存中的数据无法被全部写回闪存设备。因此，本文提出预判当前电容电量所支持的最大写回数据量。基于该预判值，本文考虑当前固态硬盘的结构特点，并提前剔除缓存数据，从而在避免缓存数据丢失的前提下，实现性能优化。
　　③3D堆叠式固态硬盘能够为存储系统提供更为大的存储容量，但由于3D固态硬盘的堆叠结构存在物理堆叠极限，因此，本文将研究如何利用重编程技术进一步提高3D固态硬盘的存储容量，同时取得更为出色的寿命和性能。针对上述问题，本文提出将一个3D TLC单元进行多次编程，从而实现存储空间的提升，进而减少垃圾回收次数，最终实现闪存固态硬盘的寿命和性能优化。为实现3D TLC闪存单元的重编程，本文根据当前闪存单元的编程次数将电压分布状态进行重新分配。3D TLC闪存单元包含八个电压分布状态，通过电压状态的再分配，该八个电压分布状态可实现两次重编程。通过将该重编程方案实现在闪存固态硬盘阵列中，本工作能够减小访问数据对存储空间的消耗，并且能够减少整体垃圾回收次数。
　　针对上述优化研究工作，本文采用固态硬盘模拟器和工业级闪存芯片测试平台进行实验。实验结果证明了上述研究技术能够有效地提高闪存固态硬盘的性能，可靠性以及寿命。本文充分考虑了闪存固态硬盘的固有特点，从固态硬盘基础结构，数据完整性保护，性能以及寿命优化等角度实现新型闪存固态硬盘的整体系统优化研究，进一步促进新型存储设备在大数据和云存储时代的应用和发展。