高密度閃存下的均衡磨損是否總是有效？

本文來(lái)自美國(guó)雪城大學(xué)Bryan S. Kim團(tuán)隊(duì)，發(fā)表于HotStorage'22，分析了均衡磨損在不同的場(chǎng)景下，所帶來(lái)的寫(xiě)放大效果。從測(cè)試分析中來(lái)看，均衡磨損并不總是有效，在目前的有限擦除次數(shù)的SSD中，可能會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的寫(xiě)放大問(wèn)題，嚴(yán)重影響SSD使用壽命。

作者評(píng)估了現(xiàn)有的幾種典型均衡磨損算法，如表1所示，并測(cè)試了多個(gè)場(chǎng)景，包含傾斜性負(fù)載和均勻負(fù)載，表明它們確實(shí)存在異常行為，并產(chǎn)生高的寫(xiě)放大。本文探討了放棄均衡磨損而采用SSD中的容量方差的選擇，并表明容量方差將SSD的壽命延長(zhǎng)2.94×。本文方法開(kāi)源：https://github.com/ZiyangJiao/FTLSim-WL.

問(wèn)題：

1. 寫(xiě)放大如何?

使用r/?= 0.9/0.1的合成負(fù)載來(lái)測(cè)量WL引起的寫(xiě)放大，最多可進(jìn)行100 次全盤(pán)寫(xiě)入(25 TiB)，測(cè)試盤(pán)的邏輯空間大小為256GiB，11%OPS空間。圖2為100次全盤(pán)寫(xiě)所對(duì)應(yīng)的寫(xiě)放大，可以得到如下觀察。

整體寫(xiě)放大高達(dá)11.49（PWL），其中NoWL的方法下寫(xiě)放大為6左右，因此5.4是WL造成的。這意味著對(duì)于每寫(xiě)入256 GiB的用戶數(shù)據(jù)，僅WL就會(huì)帶來(lái)額外的1.35 TiB數(shù)據(jù)寫(xiě)入。

寫(xiě)放大對(duì)WL閾值參數(shù)很敏感。將DP算法從10更改為5（變得更加激進(jìn)）會(huì)將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量放大到1.6X。

一旦SSD老化超過(guò)80次全驅(qū)動(dòng)寫(xiě)入，PWL 會(huì)產(chǎn)生11.49的高寫(xiě)放大。PWL 是一種自適應(yīng)WL算法，在后期變得過(guò)于激進(jìn)，而在早期處于休眠狀態(tài)。

隨著SSD老化，寫(xiě)放大會(huì)隨著時(shí)間穩(wěn)步增加，這表明SSD老化會(huì)隨著寫(xiě)入更多數(shù)據(jù)而加速。

2. 均衡磨損的有效性如何？

測(cè)試兩種場(chǎng)景：1）256GiB用戶數(shù)據(jù)，采用全盤(pán)寫(xiě)入100次，如圖3；2）數(shù)據(jù)只占全盤(pán)5%容量，并持續(xù)寫(xiě)入，如圖4。對(duì)于每一種場(chǎng)景，測(cè)試了傾斜性較強(qiáng)的負(fù)載(r/h=0.9/0.1)和均勻隨機(jī)負(fù)載(r/h=0.5/0.5)。

對(duì)于傾斜性較強(qiáng)的負(fù)載（圖3a），DP和PWL的擦除次數(shù)都比NoWL更多。它們的CDF顯示出一個(gè)凹陷，這表明擦除計(jì)數(shù)的雙峰分布。而NoWL 顯示一條幾乎垂直的線，這意味著擦除數(shù)分布更緊密。這是磨損均衡的性能異常（通過(guò)檢查雙峰分布，發(fā)現(xiàn)與冷池相關(guān)的塊比熱池中的塊更老）。對(duì)于DP算法，如果冷池中最年輕的塊恰好比熱池中最舊的塊更老，仍然會(huì)觸發(fā)兩個(gè)塊之間的交換，從而導(dǎo)致這種反轉(zhuǎn)。DAGC實(shí)現(xiàn)了塊的均衡磨損，其分布較為集中，但帶來(lái)寫(xiě)放大18%。

對(duì)于均勻隨機(jī)的負(fù)載（圖3b），DP、PWL和NoWL之間的差異可以忽略不計(jì)。因?yàn)槿P(pán)寫(xiě)入時(shí)，數(shù)據(jù)熱度接近，使得所有塊都被平等地使用，并且?guī)缀醪粫?huì)觸發(fā)均衡磨損。然而，DAGC仍然表現(xiàn)出性能異常，由于其在GC時(shí)會(huì)同時(shí)考慮有效頁(yè)面的比例以及塊的擦除次數(shù)，因此數(shù)據(jù)寫(xiě)入比NoWL多15%（因?yàn)樗赡軙?huì)選擇擦除次數(shù)較低但有效頁(yè)面數(shù)量也多的閃存塊）。

對(duì)于第二類(lèi)場(chǎng)景下，負(fù)載數(shù)據(jù)集較小，大多數(shù)均衡磨損方法是有效的，如圖4a和圖4b中接近垂直的分布。而NoWL顯示了兩種負(fù)載中已使用塊和未使用塊之間的雙峰分布。當(dāng)負(fù)載傾斜時(shí)（圖 4a），WL 技術(shù)通過(guò)放大數(shù)據(jù)寫(xiě)入量來(lái)實(shí)現(xiàn)這種均勻性。對(duì)于均勻負(fù)載（圖 4b），數(shù)據(jù)熱度接近，因此均衡磨損的整體寫(xiě)放大要低得多。

上述場(chǎng)景一考慮全盤(pán)使用，充分利用盤(pán)的容量特征，結(jié)果表明均衡磨損是一把雙刃劍，可以使得均衡磨損效果比NoWL還要差（圖3a），也可以實(shí)現(xiàn)良好的均衡磨損但其加速了閃存整體磨損（圖3b）。而場(chǎng)景二則是針對(duì)大容量盤(pán)但是實(shí)際數(shù)據(jù)量較少的場(chǎng)景，其采用均衡磨損的效果較好，這部分總結(jié)如表4所示。

容量差異方法

本文提出了一種容量差異方法，即不采用均衡磨損。因?yàn)槿绻?a target="_blank">接口允許減少SSD的輸出容量，均衡磨損就變得不必要了，因?yàn)樗恍枰_保所有塊均勻地磨損。隨著SSD的磨損使用，壞塊的數(shù)量會(huì)逐漸增多，但只要剩余容量滿足用戶需求，該SSD仍然可以正常服務(wù)。從而避免了均衡磨損過(guò)程中帶來(lái)的嚴(yán)重寫(xiě)放大問(wèn)題，增加了整體寫(xiě)入量，從而改善SSD的總使用壽命。

致謝

感謝本次論文解讀者，來(lái)自華東師范大學(xué)的博士生呂熠娜，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)級(jí)高密度閃存服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)研究。

審核編輯：湯梓紅