NVMe標(biāo)準(zhǔn)更新定義了一個軟件接口

今年6月，NVMe標(biāo)準(zhǔn)更新定義了一個軟件接口，以幫助SSD和NAND閃存實(shí)際工作時讀寫到硬盤的方式。

區(qū)別于模仿從硬盤和早期存儲技術(shù)繼承的傳統(tǒng)塊設(shè)備模型，新的NVMe ZNS (NVMe Zoned Namespaces)可選特性允許SSD在閃存上實(shí)現(xiàn)不同的存儲抽象。這與SAS和SATA為適應(yīng)SMR硬盤而添加的擴(kuò)展非常相似，還有一些為SSD做的額外擴(kuò)展。帶有這個新特性的“分區(qū)”SSD可以提供比普通SSD更好的性能，同時需要的配置更加精簡，所需DRAM更少。缺點(diǎn)是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)必須更新以支持分區(qū)存儲，目前這項(xiàng)工作正在順利進(jìn)行。

NVMe ZNS規(guī)范構(gòu)建在當(dāng)前的NVMe 1.4規(guī)范之上，為NVMe2.0做準(zhǔn)備，已經(jīng)作為一項(xiàng)技術(shù)提案得到批準(zhǔn)和發(fā)布。即將到來的NVMe 2.0規(guī)范將包含所有獲批準(zhǔn)的技術(shù)提議，ZNS的標(biāo)準(zhǔn)化為NVMe 2.0更廣泛的商業(yè)化和應(yīng)用掃清了道路，目前NVMe 2.0一直受到特定于供應(yīng)商的分區(qū)存儲接口和有限硬件選擇的阻礙。

分區(qū)存儲概述

使用閃存作為固態(tài)硬盤的根本挑戰(zhàn)是：我們所有的計算機(jī)都是圍繞著硬盤如何工作的概念構(gòu)建的，而閃存的行為與硬盤不同。閃存的組織方式與機(jī)械硬盤非常不同，為了提升閃存的性能，對計算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化變成一項(xiàng)值得投入的工作。

機(jī)械硬盤是一種類似的存儲介質(zhì)，沒有固有的結(jié)構(gòu)來規(guī)定扇區(qū)大小等特性。長期選擇512字節(jié)扇區(qū)標(biāo)準(zhǔn)只是為了方便，現(xiàn)在當(dāng)我們達(dá)到多TB范圍的硬盤容量時，企業(yè)硬盤支持4K字節(jié)扇區(qū)。相比之下，閃存芯片的設(shè)計中包含了好幾層結(jié)構(gòu)，最重要的指標(biāo)是頁面大小和擦除塊大小。可以使用頁大小粒度（通常是幾個KB）讀取數(shù)據(jù)、寫入空頁，擦除操作可以清除整個塊（多MB）。讀/程序操作和擦除操作之間的實(shí)際大小不匹配是一個普通機(jī)械硬盤不必處理的復(fù)雜問題。閃存有限的編程/擦除周期也增加了挑戰(zhàn)，因?yàn)閷懭氪螖?shù)越少，壽命就越長。

如今，幾乎所有的SSD都是作為具有512字節(jié)或4kB扇區(qū)的簡單類HDD塊存儲設(shè)備的抽象呈現(xiàn)給軟件的。這隱藏了SSD的所有復(fù)雜性，如頁面和擦除塊大小、磨損均衡和垃圾回收等。這種抽象也是SSD控制器和固件比硬盤控制器更大、更復(fù)雜（更容易出錯）的部分原因。大多數(shù)情況下，塊設(shè)備抽象仍然是最優(yōu)的折衷方法，它允許軟件無需修改就可以享受閃存的大部分性能優(yōu)勢，而對于寫入擴(kuò)展等缺點(diǎn)也在可管理范圍內(nèi)。

多年來，存儲行業(yè)一直在探索塊存儲抽象的替代方法。有幾個關(guān)于Open Channel SSD的建議，它們將閃存的許多細(xì)節(jié)直接暴露給主機(jī)系統(tǒng)，將SSD固件的許多職責(zé)轉(zhuǎn)移到運(yùn)行在主機(jī)CPU上的軟件上。已經(jīng)推廣的各種Open Channel SSD標(biāo)準(zhǔn)在各個領(lǐng)域取得了不同的平衡（在具有完全驅(qū)動管理的FTL(flash translation layer)的典型SSD和完全軟件管理的解決方案之間平衡）。業(yè)界一致認(rèn)為，最早的一些標(biāo)準(zhǔn)，如LightNVM 1.x規(guī)范，暴露了太多的細(xì)節(jié)，需要軟件處理不同供應(yīng)商閃存之間的差異，或SLC, MLC, TLC等之間的差異。較新的標(biāo)準(zhǔn)尋求更好的平衡和抽象級別，以便更容易大規(guī)模推廣應(yīng)用，同時允許軟件繞過典型SSD的低效率特性。

為了從另一個方向解決這個問題，NVMe標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得了一些特性，允許SSD與主機(jī)共享更多關(guān)于數(shù)據(jù)訪問和布局的最佳模式信息。在很大程度上，這些都是軟件可以利用的可選特性，沒有意識到這些特性的軟件仍然可以正常工作。NVMe規(guī)范的過去幾次修訂中添加了指令和流、NVM集、可預(yù)測的延遲模式等，以使軟件和SSD能夠更好地協(xié)作。

最近，受硬盤市場的影響，第三種方法的勢頭正在增強(qiáng)。SMR是一種技術(shù)，部分重疊的軌道機(jī)械硬盤盤片可以增加存儲密度。這種方法的缺點(diǎn)是，直接修改任意字節(jié)的數(shù)據(jù)而不破壞相鄰重疊的磁道是不可能的，因此SMR硬盤將磁道分組到區(qū)域中，只允許在區(qū)域內(nèi)順序?qū)懖僮?。這對包括隨機(jī)寫操作的工作負(fù)載具有嚴(yán)重的性能影響，也是SMR硬盤在市場上受到褒貶不一的部分原因。然而，在服務(wù)器存儲市場中，主機(jī)管理的SMR也是一個可行的選擇：它要求操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序軟件能夠直接感知區(qū)域，但在使用環(huán)境受控時，進(jìn)行必要的軟件更改并不是不可克服的挑戰(zhàn)。

用于SMR硬盤的分區(qū)存儲模型也非常適合與FLASH一起使用，它是NVMe ZNS的前身。SMR硬盤的類區(qū)域結(jié)構(gòu)反映了SSD的頁和擦除塊結(jié)構(gòu)。對寫的限制不是完全匹配的，但已經(jīng)足夠接近了。

后面我們將介紹什么是NVMe ZNS，以及它的重要性。