浪潮新一代ZNS SSD固態盤解碼：如何將性能提升210%

浪潮信息

2021-03-01 15:54 11106

面對SSD固態盤價格快速上漲，浪潮在固態盤方面持續創新，推出了新一代ZNS（Zoned Namespace，分區命名空間） SSD，在性能、容量、壽命、成本、易用性等方面實現了飛躍式提升。

北京2021年3月1日 /美通社/ -- 2021年年初，SSD固態盤價格受產能供應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SSD固態盤價格快速上漲，浪潮在固態盤方面持續創新，推出了新一代ZNS（Zoned Namespace，分區命名空間）SSD，在性能、容量、壽命、成本、易用性等方面實現了飛躍式提升。這是繼2019年IPF大會上浪潮存儲發布NVMe SSD固態盤之后，浪潮存儲在固態盤技術方面的全面升級。

什么是ZNS SSD?

ZNS SSD即分區命名空間固態硬盤，ZNS 是從 OC（Open Channel，開放通道）SSD基礎上發展而來的，實現了把FTL（Flash Translation Layer，閃存轉換層）從SSD內部遷移到上層的Host端，把SSD內部開放給了Host端，這樣用戶可以根據自己需要，比較靈活的擁有自己特定的FTL，代價是軟件架構必須重新設計，成本非常高，對用戶技術實力要求也非常高。

ZNS協議將NVMe 2.0其中的一部分將進行標準化處理，以滿足行業需求。相比之下ZNS SSD規范更加標準，生態環境更加友好，簡化了軟件架構，用戶可以更加容易地根據自身場景需求進行特定軟件開發。

ZNS SSD將FTL移至Host端進行數據管理和I/O調度，NVMe ZNS提供了分區存儲設備接口，該接口允許SSD和主機在數據放置方面進行協作，根據數據類型的不同選擇單獨的存放位置，從而可以將數據與SSD的物理介質對齊，提高了總體性能并增加了主機能直接讀寫的容量，并實現了I/O隔離。

ZNS規范中，將SSD namespace的整個LBA（logical block address，邏輯區塊地址）范圍劃分為若干個等長的區間，等長的LBA區間成為一個zone，每個zone內必須以順序的方式進行寫入，每個zone有其獨立的狀態機進行管理。

ZNS SSD內部可以根據不同的應用場景將不同的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內要求必須順序寫入，這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致寫入速度受限或者出現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附加寫和ZRWA（Zone Random Write Area，分區隨機寫入區）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緩存中對數據進行隨機寫入和就地覆蓋。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產品，文件不能被驅動器分開寫入，最終導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支持主機與存儲設備協作放置數據，可以實現應用程序控制區域中的數據放置，即分區存儲。

ZNS SSD主要是為了能夠充分利用底層介質的存儲容量，同時發揮介質本身的特性優勢，例如ZNS針對QLC NAND閃存SSD，它可以根據數據的類型和訪問頻率采用不同的數據分區方式，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，支持主機與存儲設備協作放置數據，如下圖展示了普通SSD與ZNS區別。

ZNS SSD要求所有zone只能順序寫入（或者append等），不能出現復寫操作，重新使用前需要對zone執行zone reset命令等，這樣應用及驅動都需要更多的配合ZNS SSD，不過當前各大存儲系統及開源工具都已經或者計劃完成ZNS SSD的適配與支持,標準化的接口實現了強大的軟件和硬件生態系統。

相比普通SSD產品，ZNS SSD主要有五大優勢：消除了SSD的GC（Garbage Collection，垃圾回收）進程的WAF（Write Amplification，寫放大）、消除了傳統的OP（Over provisioning，預留空間）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

浪潮是國內率先推出ZNS SSD全新架構方案的廠商，ZNS存儲技術針對的是云場景應用，主適用于大容量空間存儲的數據，例如高清視頻、圖像等。

浪潮存儲SSD研發團隊與云服務提供商緊密合作，對其軟件堆棧進行自上而下的優化，完成了業務適配和定制化SSD開發，實現了分區存儲，技術實力得到了用戶高度認可，滿足業務發展需求的同時，TCO總體擁有成本大幅降低，為客戶帶來了可觀的經濟效益。

浪潮自研ZNS全新架構SSD，在容量、壽命、成本、易用性、性能等方面實現了飛躍式提升，如下量化數字以8TB盤對標浪潮NS8600G1 6.4TB容量點呈現：

首先成本優勢，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；降低了SSD的寫放大，提高了DWPD（Drive Writes Per Day，驅動器日寫入量），將SSD壽命提升70%；

其次性能優勢，浪潮ZNS SSD能夠顯著降低寫延時，通過zone在物理上的隔離，可以極大地降低寫時延；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全部資源用于應用的讀寫，性能整體提升210%。