浪潮新一代ZNS SSD固態(tài)盤解碼：如何將性能提升210%

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

面對(duì)SSD固態(tài)盤價(jià)格快速上漲，浪潮在固態(tài)盤方面持續(xù)創(chuàng)新，推出了新一代ZNS（Zoned Namespace，分區(qū)命名空間）SSD，在性能、容量、壽命、成本、易用性等方面實(shí)現(xiàn)了飛躍式提升。這是繼2019年IPF大會(huì)上浪潮存儲(chǔ)發(fā)布NVMe SSD固態(tài)盤之后，浪潮存儲(chǔ)在固態(tài)盤技術(shù)方面的全面升級(jí)。

什么是ZNS SSD?

ZNS SSD即分區(qū)命名空間固態(tài)硬盤，ZNS 是從 OC（Open Channel，開放通道）SSD基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，實(shí)現(xiàn)了把FTL（Flash Translation Layer，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，這樣用戶可以根據(jù)自己需要，比較靈活的擁有自己特定的FTL，代價(jià)是軟件架構(gòu)必須重新設(shè)計(jì)，成本非常高，對(duì)用戶技術(shù)實(shí)力要求也非常高。

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

ZNS SSD將FTL移至Host端進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和I/O調(diào)度，NVMe ZNS提供了分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備接口，該接口允許SSD和主機(jī)在數(shù)據(jù)放置方面進(jìn)行協(xié)作，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同選擇單獨(dú)的存放位置，從而可以將數(shù)據(jù)與SSD的物理介質(zhì)對(duì)齊，提高了總體性能并增加了主機(jī)能直接讀寫的容量，并實(shí)現(xiàn)了I/O隔離。

ZNS規(guī)范中，將SSD namespace的整個(gè)LBA（logical block address，邏輯區(qū)塊地址）范圍劃分為若干個(gè)等長(zhǎng)的區(qū)間，等長(zhǎng)的LBA區(qū)間成為一個(gè)zone，每個(gè)zone內(nèi)必須以順序的方式進(jìn)行寫入，每個(gè)zone有其獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行管理。

ZNS SSD內(nèi)部可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景將不同的zone與不同的物理位置進(jìn)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(guò)程Die的并發(fā)性最好，一般來(lái)說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)SSD都會(huì)按照這種方式寫入。configB更有利于Latency敏感的場(chǎng)景，每個(gè)用戶控制自己的Die，從而減少相互之間的影響。

其二，ZRWA允許在SSD緩存中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)寫入和就地覆蓋。與Zone Append命令相比，這種方法在SSD上需要更多的資源。

普通SSD VS ZNS SSD

普通SSD產(chǎn)品，文件不能被驅(qū)動(dòng)器分開寫入，最終導(dǎo)致具有不同生存期的文件被存儲(chǔ)在相同的erase單元中，而ZNS SSD支持主機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)作放置數(shù)據(jù)，可以實(shí)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(chǔ)。

ZNS SSD主要是為了能夠充分利用底層介質(zhì)的存儲(chǔ)容量，同時(shí)發(fā)揮介質(zhì)本身的特性優(yōu)勢(shì)，例如ZNS針對(duì)QLC NAND閃存SSD，它可以根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和訪問(wèn)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(zhǎng)硬盤壽命，同時(shí)，還可以改進(jìn)的I/O訪問(wèn)延遲，支持主機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)作放置數(shù)據(jù)，如下圖展示了普通SSD與ZNS區(qū)別。

ZNS SSD要求所有zone只能順序?qū)懭耄ɑ蛘遖ppend等），不能出現(xiàn)復(fù)寫操作，重新使用前需要對(duì)zone執(zhí)行zone reset命令等，這樣應(yīng)用及驅(qū)動(dòng)都需要更多的配合ZNS SSD，不過(guò)當(dāng)前各大存儲(chǔ)系統(tǒng)及開源工具都已經(jīng)或者計(jì)劃完成ZNS SSD的適配與支持,標(biāo)準(zhǔn)化的接口實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的軟件和硬件生態(tài)系統(tǒng)。

相比普通SSD產(chǎn)品，ZNS SSD主要有五大優(yōu)勢(shì)：消除了SSD的GC（Garbage Collection，垃圾回收）進(jìn)程的WAF（Write Amplification，寫放大）、消除了傳統(tǒng)的OP（Over provisioning，預(yù)留空間）空間、由于較小的映射表，DRAM更少、更高的吞吐量和更低的延遲、大幅提升SSD盤壽命。

浪潮ZNS SSD介紹

浪潮是國(guó)內(nèi)率先推出ZNS SSD全新架構(gòu)方案的廠商，ZNS存儲(chǔ)技術(shù)針對(duì)的是云場(chǎng)景應(yīng)用，主適用于大容量空間存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，例如高清視頻、圖像等。

浪潮存儲(chǔ)SSD研發(fā)團(tuán)隊(duì)與云服務(wù)提供商緊密合作，對(duì)其軟件堆棧進(jìn)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(shí)現(xiàn)了分區(qū)存儲(chǔ)，技術(shù)實(shí)力得到了用戶高度認(rèn)可，滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求的同時(shí)，TCO總體擁有成本大幅降低，為客戶帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)了飛躍式提升，如下量化數(shù)字以8TB盤對(duì)標(biāo)浪潮NS8600G1 6.4TB容量點(diǎn)呈現(xiàn)：

首先成本優(yōu)勢(shì)，對(duì)比普通SSD，同等容量的浪潮ZNS SSD對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)；降低了SSD的寫放大，提高了DWPD（Drive Writes Per Day，驅(qū)動(dòng)器日寫入量），將SSD壽命提升70%；

其次性能優(yōu)勢(shì)，浪潮ZNS SSD能夠顯著降低寫延時(shí)，通過(guò)zone在物理上的隔離，可以極大地降低寫時(shí)延；提高吞吐量，寫放大可以降低至接近于1，提供更多的帶寬給用戶，SSD全部資源用于應(yīng)用的讀寫，性能整體提升210%。

未來(lái)浪潮存儲(chǔ)將秉承“云存智用 運(yùn)籌新數(shù)據(jù)”的存儲(chǔ)理念，在發(fā)力分布式存儲(chǔ)和全閃存儲(chǔ)兩大存儲(chǔ)平臺(tái)之外，不斷推出更高性能、更大容量的SSD固態(tài)盤，實(shí)現(xiàn)從存儲(chǔ)部件到存儲(chǔ)系統(tǒng)的全面創(chuàng)新，加速企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

作者：浪潮存儲(chǔ)產(chǎn)品經(jīng)理?宗崗崗、浪潮存儲(chǔ)SSD資深架構(gòu)師 趙寶林

審核編輯 黃昊宇

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