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浪潮新一代ZNS SSD固态盘解码:如何将性能提升210%

发表于2021-03-01 17:56| 次阅读| 来源美通社| 0 条评论| 作者美通社

摘要:面对SSD固态盘价格快速上涨,浪潮在固态盘方面持续创新,推出了新一代ZNS(Zoned Namespace,分区命名空间) SSD,在性能、容量、寿命、成本、易用性等方面实现了飞跃式提升。

北京2021年3月1日 /美通社/ -- 2021年年初,SSD固态盘价格受产能供应紧缺因素影响开始上涨,目前240GB SSD报价由24.2美元上涨至24.6美元;480GB SSD报价由44美元上涨至44.5美元。

面对SSD固态盘价格快速上涨,浪潮在固态盘方面持续创新,推出了新一代ZNS(Zoned Namespace,分区命名空间)SSD,在性能、容量、寿命、成本、易用性等方面实现了飞跃式提升。这是继2019年IPF大会上浪潮存储发布NVMe SSD固态盘之后,浪潮存储在固态盘技术方面的全面升级。

什么是ZNS SSD?

ZNS SSD即分区命名空间固态硬盘,ZNS 是从 OC(Open Channel,开放通道)SSD基础上发展而来的,实现了把FTL(Flash Translation Layer,闪存转换层)从SSD内部迁移到上层的Host端,把SSD内部开放给了Host端,这样用户可以根据自己需要,比较灵活的拥有自己特定的FTL,代价是软件架构必须重新设计,成本非常高,对用户技术实力要求也非常高。

ZNS协议将NVMe 2.0其中的一部分将进行标准化处理,以满足行业需求。相比之下ZNS SSD规范更加标准,生态环境更加友好,简化了软件架构,用户可以更加容易地根据自身场景需求进行特定软件开发。

ZNS SSD将FTL移至Host端进行数据管理和I/O调度,NVMe ZNS提供了分区存储设备接口,该接口允许SSD和主机在数据放置方面进行协作,根据数据类型的不同选择单独的存放位置,从而可以将数据与SSD的物理介质对齐,提高了总体性能并增加了主机能直接读写的容量,并实现了I/O隔离。

ZNS规范中,将SSD namespace的整个LBA(logical block address,逻辑区块地址)范围划分为若干个等长的区间,等长的LBA区间成为一个zone,每个zone内必须以顺序的方式进行写入,每个zone有其独立的状态机进行管理。

ZNS SSD内部可以根据不同的应用场景将不同的zone与不同的物理位置进行映射;configA是一种最有利于顺序读写的配置,这种方法可以保证读写过程Die的并发性最好,一般来说标准SSD都会按照这种方式写入。configB更有利于Latency敏感的场景,每个用户控制自己的Die,从而减少相互之间的影响。

由于zone内要求必须顺序写入,这样在多线程写入同一个zone时,线程之间会因为写入指针的竞争导致写入速度受限或者出现写入位置不正确的问题,这样同一个zone的写入队列深度不能超过1,为了解决这个问题,ZNS提供了append附加写和ZRWA(Zone Random Write Area,分区随机写入区)两种写入模式:

其一,Append写入模式。Append命令将由SSD决定写入的LBA,并返回给用户,这样消除了主机软件间的zone写入位置竞争问题。

其二,ZRWA允许在SSD缓存中对数据进行随机写入和就地覆盖。与Zone Append命令相比,这种方法在SSD上需要更多的资源。

普通SSD VS ZNS SSD

普通SSD产品,文件不能被驱动器分开写入,最终导致具有不同生存期的文件被存储在相同的erase单元中,而ZNS SSD支持主机与存储设备协作放置数据,可以实现应用程序控制区域中的数据放置,即分区存储。

ZNS SSD主要是为了能够充分利用底层介质的存储容量,同时发挥介质本身的特性优势,例如ZNS针对QLC NAND闪存SSD,它可以根据数据的类型和访问频率采用不同的数据分区方式,以减少整体写放大,从而延长硬盘寿命,同时,还可以改进的I/O访问延迟,支持主机与存储设备协作放置数据,如下图展示了普通SSD与ZNS区别。

ZNS SSD要求所有zone只能顺序写入(或者append等),不能出现复写操作,重新使用前需要对zone执行zone reset命令等,这样应用及驱动都需要更多的配合ZNS SSD,不过当前各大存储系统及开源工具都已经或者计划完成ZNS SSD的适配与支持,标准化的接口实现了强大的软件和硬件生态系统。

相比普通SSD产品,ZNS SSD主要有五大优势:消除了SSD的GC(Garbage Collection,垃圾回收)进程的WAF(Write Amplification,写放大)、消除了传统的OP(Over provisioning,预留空间)空间、由于较小的映射表,DRAM更少、更高的吞吐量和更低的延迟、大幅提升SSD盘寿命。

浪潮ZNS SSD介绍

浪潮是国内率先推出ZNS SSD全新架构方案的厂商,ZNS存储技术针对的是云场景应用,主适用于大容量空间存储的数据,例如高清视频、图像等。

浪潮存储SSD研发团队与云服务提供商紧密合作,对其软件堆栈进行自上而下的优化,完成了业务适配和定制化SSD开发,实现了分区存储,技术实力得到了用户高度认可,满足业务发展需求的同时,TCO总体拥有成本大幅降低,为客户带来了可观的经济效益。

浪潮自研ZNS全新架构SSD,在容量、寿命、成本、易用性、性能等方面实现了飞跃式提升,如下量化数字以8TB盘对标浪潮NS8600G1 6.4TB容量点呈现:

首先成本优势,对比普通SSD,同等容量的浪潮ZNS SSD对DRAM的需求更少,DDR成本缩减97%;SSD内部OP空间极大降低,容量提升34%,释放更多的容量给存储系统;降低了SSD的写放大,提高了DWPD(Drive Writes Per Day,驱动器日写入量),将SSD寿命提升70%;

其次性能优势,浪潮ZNS SSD能够显著降低写延时,通过zone在物理上的隔离,可以极大地降低写时延;提高吞吐量,写放大可以降低至接近于1,提供更多的带宽给用户,SSD全部资源用于应用的读写,性能整体提升210%。

未来浪潮存储将秉承“云存智用 运筹新数据”的存储理念,在发力分布式存储和全闪存储两大存储平台之外,不断推出更高性能、更大容量的SSD固态盘,实现从存储部件到存储系统的全面创新,加速企业数字化转型。

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