“智能存儲管理”這波技術(shù)“后浪”

戚燁

2021年年初，SSD固態(tài)盤價格受產(chǎn)能供應(yīng)緊缺因素影響開始上漲，目前240GB SSD報價由24.2美元上漲至24.6美元;480GB SSD報價由44美元上漲至44.5美元。

面對固態(tài)盤價格的快速上漲，浪潮在固態(tài)盤方面持續(xù)創(chuàng)新，推出了新一代ZNS（Zoned Namespace）SSD，在性能、容量、壽命、成本、易用性等方面實現(xiàn)了飛躍式提升，這是繼2019年發(fā)布的NVMe SSD固態(tài)盤之后，浪潮存儲在固態(tài)盤技術(shù)方面的全面升級。

ZNS SSD

ZNS SSD即分區(qū)命名空間固態(tài)硬盤，ZNS 是從 OC（開放通道）SSD基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，實現(xiàn)了把FTL（閃存轉(zhuǎn)換層）從SSD內(nèi)部遷移到上層的Host端，把SSD內(nèi)部開放給了Host端，用戶可以根據(jù)自己需要，靈活地選擇自己適合的FTL，然代價是軟件架構(gòu)須重新設(shè)計，成本較高，對用戶的技術(shù)實力要求也較高。

ZNS協(xié)議對NVMe 2.0其中的一部分將進行標準化處理，以滿足行業(yè)需求。相比之下ZNS SSD規(guī)范更加標準，生態(tài)環(huán)境更加友好，簡化了軟件架構(gòu)，用戶可以更加容易地根據(jù)自身場景需求進行特定軟件開發(fā)。

ZNS SSD將FTL移至Host端進行數(shù)據(jù)管理和I/O調(diào)度，NVMe ZNS提供了分區(qū)存儲設(shè)備接口，該接口允許SSD和主機在數(shù)據(jù)放置方面進行協(xié)作，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同選擇單獨的存放位置，從而將數(shù)據(jù)與SSD的物理介質(zhì)對齊，提高總體性能并增加主機直接讀寫的容量，實現(xiàn)I/O（輸入/輸出）隔離。

ZNS規(guī)范中，將SSD namespace的整個LBA（邏輯區(qū)塊地址）范圍劃分為若干個等長的區(qū)間，等長的LBA區(qū)間為一個zone（區(qū)域），每個zone內(nèi)必須以順序的方式進行寫入，且每個zone都有其獨立的狀態(tài)機進行管理。ZNS SSD內(nèi)部可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景將不同的zone與不同的物理位置進行映射;configA是一種最有利于順序讀寫的配置，這種方法可以保證讀寫過程Die的并發(fā)性最好，一般來說標準SSD都會按照這種方式寫入。configB更有利于Latency敏感的場景，每個用戶控制自己的Die，從而減少相互之間的影響。

由于zone內(nèi)要求必須順序?qū)懭耄@樣在多線程寫入同一個zone時，線程之間會因為寫入指針的競爭導(dǎo)致寫入速度受限或者出現(xiàn)寫入位置不正確的問題，這樣同一個zone的寫入隊列深度不能超過1，為了解決這個問題，ZNS提供了append（附加寫入）和ZRWA（分區(qū)隨機寫入?yún)^(qū)）兩種寫入模式。其一，Append寫入模式。Append命令將由SSD決定寫入的LBA，并返回給用戶，這樣消除了主機軟件間的zone寫入位置競爭問題。其二，ZRWA允許在SSD緩存中對數(shù)據(jù)進行隨機寫入和就地覆蓋。與Zone Append命令相比，這種方法應(yīng)用在SSD上需要更多的資源。

普通SSD與ZNS SSD的區(qū)別

普通SSD產(chǎn)品，文件不能被驅(qū)動器分開寫入，最終導(dǎo)致具有不同生存期的文件被存儲在相同的erase單元中，而ZNS SSD支持主機與存儲設(shè)備協(xié)作放置數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)應(yīng)用程序控制區(qū)域中的數(shù)據(jù)放置，即分區(qū)存儲。

ZNS SSD主要是為了能夠充分利用底層介質(zhì)的存儲容量，同時發(fā)揮介質(zhì)本身的特性優(yōu)勢，例如，ZNS針對QLC NAND閃存SSD，它可以根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和訪問頻率采用不同的數(shù)據(jù)分區(qū)方式，以減少整體寫放大，從而延長硬盤壽命，同時，還可以改進的I/O訪問延遲，支持主機與存儲設(shè)備協(xié)作放置數(shù)據(jù)，展示了普通SSD與ZNS區(qū)別。

ZNS SSD要求所有zone只能順序?qū)懭?，不能出現(xiàn)復(fù)寫操作，重新使用前需要對zone執(zhí)行zone reset命令等，所以應(yīng)用及驅(qū)動都需要更多地配合ZNS SSD，不過當前許多存儲系統(tǒng)及開源工具都已經(jīng)完成了對ZNS SSD的適配與支持。

相比普通SSD產(chǎn)品，ZNS SSD主要有以下優(yōu)勢：消除了SSD的GC（垃圾回收）進程的WAF（寫入放大）;消除了傳統(tǒng)的OP（預(yù)留空間）空間;由于較小的映射表;DRAM（非易失性存儲）更少;更高的吞吐量和更低的延遲、大幅提升SSD盤壽命。

ZNS存儲技術(shù)針對的是云場景應(yīng)用，主適用于大容量空間存儲的數(shù)據(jù)，例如高清視頻、圖像等。浪潮存儲SSD研發(fā)團隊與云服務(wù)提供商緊密合作，對其軟件堆棧進行自上而下的優(yōu)化，完成了業(yè)務(wù)適配和定制化SSD開發(fā)，實現(xiàn)了分區(qū)存儲，技術(shù)實力得到了用戶高度認可，滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求的同時，TCO總體擁有成本大幅降低，為用戶帶來了可觀的經(jīng)濟效益。浪潮自研ZNS全新架構(gòu)SSD，在容量、壽命、成本、易用性、性能等方面實現(xiàn)了飛躍式提升。

■成本優(yōu)勢

對比普通SSD，同等容量的浪潮ZNS SSD對DRAM的需求更少，DDR成本縮減97%;SSD內(nèi)部OP空間極大降低，容量提升34%，釋放更多的容量給存儲系統(tǒng);降低了SSD的寫放大，提高了DWPD（驅(qū)動器日寫入量），將SSD壽命提升70%。

■性能優(yōu)勢

浪潮ZNS SSD通過zone在物理層面上的隔離，可以極大地降低寫入時延、提高吞吐量，寫入放大可以降低至接近1，以此提供更多的帶寬給用戶。ZNS SSD的全部資源用于應(yīng)用的讀寫，其性能整體提升210%。

浪潮將秉承“云存智用 運籌新數(shù)據(jù)”的存儲理念，發(fā)力分布式存儲和全閃存儲兩大存儲平臺之外，不斷推出更高性能、更大容量的固態(tài)盤，實現(xiàn)從存儲部件到存儲系統(tǒng)的全面創(chuàng)新，加速企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。