如何啟用NVMeZNS

ZNS的硬件變化

在較高層次上，為了啟用ZNS，市場(chǎng)上的大多數(shù)SSD只需要更新固件。ZNS對(duì)SSD控制器或其他硬件組件沒有任何新的要求，僅通過更改固件，就可以為現(xiàn)有SSD實(shí)現(xiàn)此特性。

硬件中的關(guān)鍵因素在于SSD被設(shè)計(jì)成只支持ZNS。首先，也是最重要的一點(diǎn)，只使用ZNS的SSD不需要像傳統(tǒng)企業(yè)SSD那樣過度配置。ZNS SSD同時(shí)負(fù)責(zé)執(zhí)行磨損平衡，但不再需要為垃圾回收過程提供很大的備用區(qū)域。使用得當(dāng)，ZNS允許主機(jī)軟件避免SSD內(nèi)部寫入放大（Write Amplification，即WA）的幾乎所有情況。企業(yè)級(jí)SSD通常使用高達(dá)28%的超額配置比率(在典型的3 DWPD模型上，每1024GB閃存可用800GB)， ZNS SSD可以將幾乎所有的容量暴露給主機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)不會(huì)影響高持續(xù)寫性能的能力。ZNS SSD仍然需要一些備用容量(如用于應(yīng)對(duì)閃存耗盡時(shí)突然出現(xiàn)的故障)，但西部數(shù)據(jù)表示，預(yù)計(jì)ZNS在過載比率方面可以降低大約10倍。

對(duì)WA的更好控制也意味著在某些用例下QLC NAND是一個(gè)更可行的選擇（否則需要TLC NAND）。企業(yè)存儲(chǔ)工作負(fù)載經(jīng)常導(dǎo)致WA因子為2-5倍。使用ZNS，SSD本身幾乎不會(huì)引起WA，而合適的主機(jī)軟件可以避免引起很多WA，因此總體效果是提高SSD壽命，彌補(bǔ)QLC相對(duì)于TLC較低的耐久性。即使在ZNS SSD中，QLC NAND從根本上還是比TLC慢，但是在SSD中幾乎消除了后臺(tái)數(shù)據(jù)管理，意味著基于QLC的ZNS SSD可以在QoS指標(biāo)上與基于TLC的傳統(tǒng)SSD競(jìng)爭(zhēng)（盡管總吞吐量更低）。

ZNS支持的另一個(gè)主要硬件更改是DRAM需求的大幅降低。在傳統(tǒng)的基于塊的SSD中，閃存轉(zhuǎn)換層(FTL)需要1GB的DRAM來處理1TB的NAND閃存，用來存儲(chǔ)地址映射或間接表，記錄當(dāng)前存儲(chǔ)每個(gè)邏輯塊地址(LBA)的物理NAND閃存地址。1GB / 1TB是FTL以4kB粒度管理flash的結(jié)果。ZNS消除了這一需求，它讓SSD管理每個(gè)區(qū)域數(shù)百M(fèi)B的整個(gè)區(qū)域。追蹤包含每個(gè)區(qū)域的物理NAND擦除塊現(xiàn)在只需要很少的內(nèi)存，甚至可以用控制器上的SRAM來完成，甚至可以用幾十TB閃存的SSD。ZNS并不能讓SSD完全不需要DRAM，因?yàn)镾SD對(duì)每個(gè)區(qū)域需要存儲(chǔ)的元數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)FTL需要為每個(gè)LBA存儲(chǔ)量要大，同時(shí)SSD可能會(huì)使用一些DRAM緩存。

軟件模型

為了與分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備一起工作，為傳統(tǒng)塊存儲(chǔ)設(shè)備編寫的驅(qū)動(dòng)程序(和其他軟件)需要進(jìn)行一些修改。最明顯的是，主機(jī)軟件必須遵守只能在區(qū)域內(nèi)按順序?qū)懭氲男录s束，但光這樣還不夠。分區(qū)存儲(chǔ)還使主機(jī)軟件負(fù)責(zé)更多的數(shù)據(jù)放置管理工作，處理這項(xiàng)工作首先要跟蹤每個(gè)區(qū)域的狀態(tài)。這比聽起來要復(fù)雜得多，ZNS采用與主機(jī)管理的SMR硬盤相同的可能區(qū)域狀態(tài)概念。技術(shù)上，分別對(duì)應(yīng)SCSI和ATA命令集的ZBC和ZAC擴(kuò)展:

這7個(gè)圓圈中的每一個(gè)都表示ZNS SSD上某個(gè)區(qū)域的可能狀態(tài)。這七個(gè)狀態(tài)中的一些狀態(tài)有一個(gè)明顯的目的：空區(qū)（Empty）和滿區(qū)（Full）被明顯標(biāo)識(shí)出來。

(一個(gè)區(qū)域在沒有存儲(chǔ)滿其容量下，可以被置于Full狀態(tài)。在這些情況下，將一個(gè)區(qū)域置于Full狀態(tài)就像在燒錄后完成光盤：在該區(qū)域被重置（擦除）之前，不能再寫入任何內(nèi)容。)

只讀（Read Only）和離線（Offline）狀態(tài)是當(dāng)硬盤的閃存失敗時(shí)使用的錯(cuò)誤狀態(tài)。雖然ZNS SSD減少了寫放大，但仍需要在硬件層面上執(zhí)行損耗均衡。只讀和離線狀態(tài)只在整個(gè)硬盤生命周期結(jié)束時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。因此，許多以分區(qū)存儲(chǔ)為目標(biāo)的軟件不會(huì)對(duì)這些狀態(tài)做任何事情，一旦一個(gè)分區(qū)進(jìn)入其中一種狀態(tài)，就會(huì)簡(jiǎn)單地將整個(gè)設(shè)備視為死機(jī)。

現(xiàn)在還剩下三種狀態(tài)：隱式打開（Implicitly Opened）、顯式打開（Explicitly Opened）和關(guān)閉（Closed）。

處于這三種狀態(tài)之一的區(qū)域被認(rèn)為是活動(dòng)的。在任何給定時(shí)間，硬盤往往會(huì)限制可以打開（顯式或隱式）或活動(dòng)區(qū)域的數(shù)量。產(chǎn)生這些限制是因?yàn)榛顒?dòng)區(qū)域或開放區(qū)域需要一些額外的跟蹤信息。對(duì)于每個(gè)活動(dòng)區(qū)域，硬盤需要跟蹤寫指針，該指針指示該區(qū)域已經(jīng)使用了多少容量以及對(duì)該區(qū)域的下一次寫操作將在何處進(jìn)行。寫指針對(duì)于滿區(qū)或空區(qū)不需要，因?yàn)闈M區(qū)不能接受更多的寫操作，空區(qū)將從區(qū)域的開頭寫入。

一個(gè)區(qū)域必須打開才能接受新的寫操作。區(qū)域可以通過簡(jiǎn)單地發(fā)出寫命令隱式地打開，也可以使用區(qū)域管理命令顯式地打開(該操作實(shí)際上不寫新數(shù)據(jù))。

隱式和顯式打開區(qū)域之間的區(qū)別在于：SSD控制器可以自由地自動(dòng)關(guān)閉通過寫命令隱式打開的區(qū)域；顯式打開的區(qū)域只有在主機(jī)軟件發(fā)出命令時(shí)才會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。

如果ZNS SSD打開的區(qū)域數(shù)量達(dá)到最大值，并且它們都是顯式打開的，那么任何打開新區(qū)域的嘗試都將失敗。但是，如果其中一些區(qū)域只是隱式打開的，那么嘗試打開一個(gè)新區(qū)域?qū)?dǎo)致SSD關(guān)閉其中一個(gè)隱式打開的區(qū)域。

開放區(qū)和關(guān)閉區(qū)之間的區(qū)別允許硬盤保持對(duì)內(nèi)部資源的實(shí)際限制，以處理對(duì)區(qū)域新的寫操作。在某種程度上，這只是從SMR硬盤的延續(xù)，但在閃存如何工作方面有一個(gè)相關(guān)的限制。現(xiàn)在，NAND閃存通常有大約16kB的頁面大小，但是ZNS SSD仍然支持對(duì)單個(gè)LBA的寫操作，通常是4kB(或512字節(jié))。這意味著寫入一個(gè)區(qū)域可以使閃存單元在一個(gè)部分編程的狀態(tài)。即使在只執(zhí)行頁面大小和正確對(duì)齊的寫操作時(shí)，由于SSD通常將頁面映射到物理內(nèi)存單元的方式，單元格可能會(huì)一直處于部分編程狀態(tài)，直到進(jìn)一步的寫操作到達(dá)。

處于部分編程狀態(tài)的閃存單元很容易發(fā)生讀取干擾錯(cuò)誤，當(dāng)試圖從該單元或相鄰單元讀取時(shí)，可能會(huì)改變部分編程單元的電壓。Open Channel SSD通過簡(jiǎn)單地禁止從這類頁面讀取來處理這個(gè)問題，但是分區(qū)存儲(chǔ)模型試圖避免對(duì)讀取命令施加額外的限制。ZNS SSD通常會(huì)緩存最近寫入的數(shù)據(jù)，這樣讀取命令就可以在不接觸部分已編程的NAND頁面的情況下進(jìn)行處理。用于這種緩存的可用內(nèi)存限制了開放區(qū)域的數(shù)量。

如果要關(guān)閉一個(gè)帶有部分編程內(nèi)存單元的開放區(qū)域，硬盤有兩種選擇：使用一些填充數(shù)據(jù)完成對(duì)這些單元的編程，跟蹤區(qū)域中的漏洞，并希望主機(jī)后面不要嘗試使用該區(qū)域的全部容量；或者硬盤可以一直緩沖最近寫入的數(shù)據(jù)，甚至對(duì)于關(guān)閉區(qū)域也是如此。根據(jù)硬盤希望支持的活動(dòng)區(qū)域數(shù)量，仍然允許ZNS SSD使用比傳統(tǒng)SSD少得多的DRAM，因此這種方法在實(shí)踐中更有可能被使用。既支持分區(qū)IO命名空間又支持塊IO命名空間的SSD可能能夠同時(shí)保持其所有區(qū)域處于活動(dòng)狀態(tài)或打開狀態(tài)。

原則上，ZNS SSD可以將每個(gè)單獨(dú)的閃存擦除塊作為一個(gè)單獨(dú)的區(qū)域，具體大小（可能是幾兆字節(jié)）取決于底層閃存。這將意味著對(duì)單個(gè)區(qū)域的寫入速度限制為對(duì)單個(gè)NAND閃存die的寫入速度。對(duì)于最近的TLC NAND閃存，單模寫入速度上升到大約82MB/s(三星第6代V-NAND)，對(duì)于QLC單模寫入速度低于10MB/s。在實(shí)際中，硬盤傾向于聚集多個(gè)擦除塊（支持跨多個(gè)die和所有控制器通道）的區(qū)域大小，這樣對(duì)單個(gè)區(qū)域的順序?qū)?或讀)就可以像傳統(tǒng)的基于FTL SSD所支持的那樣快。

最近的一個(gè)帶有512GB ZNS原型SSD的西部數(shù)據(jù)演示顯示，該硬盤使用256MB的區(qū)域大小(總共2047個(gè)區(qū)域)，但也支持2GB區(qū)域。在單個(gè)分區(qū)的命名空間中，所有區(qū)域?qū)⑹褂孟嗤膮^(qū)域大小，但是硬盤可以支持重新格式化命名空間以更改其區(qū)域大小，或者支持使用不同區(qū)域大小的多個(gè)命名空間。

提示

許多最新的NVMe特性允許SSD和主機(jī)軟件交換關(guān)于數(shù)據(jù)布局、訪問模式和生存周期的可選提示。這是主機(jī)的SSD驅(qū)動(dòng)特性，而不需要雙方都支持使用該信息。ZNS使區(qū)域成為主機(jī)必須直接處理的顯式概念，但對(duì)SSD的其他一些內(nèi)部操作采用提示方法。

ZNS SSD不執(zhí)行傳統(tǒng)SSD意義上的垃圾回收，但它們?nèi)匀回?fù)責(zé)損耗均衡。這意味著硬盤將不得不重新定位數(shù)據(jù)到不同的物理NAND擦除塊，特別是如果硬盤存儲(chǔ)的都是不太會(huì)被修改的數(shù)據(jù)。重寫整個(gè)區(qū)域(比說，256MB)是一項(xiàng)相當(dāng)大的后臺(tái)工作，它會(huì)對(duì)處理來自主機(jī)的IO命令的延遲產(chǎn)生顯著影響。ZNS SSD可以通知主機(jī)，它建議重新設(shè)置一個(gè)區(qū)域，因?yàn)樗?jì)劃很快在該區(qū)域上做一些后臺(tái)工作，并可以通知該項(xiàng)工作多久之后會(huì)開始進(jìn)行。這為主機(jī)提供了重新設(shè)置區(qū)域的機(jī)會(huì)，如果仍然需要區(qū)域中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，則可能需要主機(jī)自己進(jìn)行一些垃圾回收。（為了幫助處理這種情況，NVMe還添加了一個(gè)Copy命令，以便將不同的數(shù)據(jù)塊收集到單個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊中，而不需要數(shù)據(jù)離開SSD。）

類似地，ZNS SSD可以建議主機(jī)將活動(dòng)區(qū)域移動(dòng)到滿狀態(tài)，可以通過寫滿區(qū)域的剩余容量，或者發(fā)出區(qū)域Finish命令。

當(dāng)主機(jī)軟件同時(shí)注意以上提示并采取推薦的操作時(shí)，SSD就可以避免幾乎所有對(duì)性能影響較大的后臺(tái)操作或?qū)懛糯蟛僮鳌５且驗(yàn)檫@些僅僅是暗示，如果主機(jī)軟件忽略它們或者根本不符合要求，SSD仍然有義務(wù)在整個(gè)后臺(tái)處理過程中保存用戶數(shù)據(jù)。這可能會(huì)有一些副作用，例如在特殊情況下，硬盤必須將開放或活動(dòng)區(qū)域移動(dòng)到滿狀態(tài)，并且必須編寫主機(jī)軟件來容忍這些事件。完全消除寫放大也是不可能的，例如，靜態(tài)數(shù)據(jù)可能最終還是需要重寫，以防止由于累積的讀取干擾錯(cuò)誤而產(chǎn)生不可糾正的錯(cuò)誤。

支持多個(gè)寫線程

在一個(gè)區(qū)域內(nèi)按順序?qū)懭霐?shù)據(jù)的要求，對(duì)軟件管理數(shù)據(jù)，特別是對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的更新提出了明顯的挑戰(zhàn)。但是，當(dāng)多個(gè)線程想要寫入同一區(qū)域時(shí)，也會(huì)造成性能瓶頸。發(fā)送到SSD的每個(gè)寫命令都需要定位到區(qū)域的寫指針指向的LBA。當(dāng)多個(gè)線程寫入一個(gè)區(qū)域時(shí)，在線程檢查寫入指針的位置和寫入命令到達(dá)SSD之間存在寫入指針可以被另一個(gè)線程寫入的競(jìng)爭(zhēng)條件，將導(dǎo)致寫入被SSD拒絕。為了防止這種情況發(fā)生，軟件必須在線程之間同步，以正確序列化對(duì)每個(gè)區(qū)域的寫操作。當(dāng)有更多的線程在寫線程時(shí)，所產(chǎn)生的鎖開銷往往會(huì)導(dǎo)致寫性能下降，并且很難使隊(duì)列深度超過1。

為了解決這個(gè)限制，ZNS規(guī)范包括一個(gè)可選的append命令，可以用來代替write命令。append命令總是定位到區(qū)域的開頭，但是當(dāng)SSD開始處理該命令時(shí)，它將在寫指針?biāo)诘奈恢脤懭霐?shù)據(jù)。當(dāng)通知該命令完成時(shí)，SSD將數(shù)據(jù)實(shí)際著陸的LBA主機(jī)。這消除了同步需求，并允許多個(gè)線程同時(shí)將新數(shù)據(jù)寫入一個(gè)區(qū)域，而根本不需要core對(duì)core通信。缺點(diǎn)是主機(jī)軟件變得更加復(fù)雜，現(xiàn)在它必須在事后記錄數(shù)據(jù)位置，而不是在寫入數(shù)據(jù)之前嘗試分配空間。對(duì)于現(xiàn)有的IO API來說，即使是返回?cái)?shù)據(jù)到達(dá)應(yīng)用程序的地址也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兺ǔＶ辉O(shè)置為返回錯(cuò)誤代碼給應(yīng)用程序。

append命令不是解決這種可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)的唯一解決方案；它只是這個(gè)NVMe ZNS規(guī)范的初始版本中標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)。在原型或非標(biāo)準(zhǔn)的分區(qū)SSD中已經(jīng)提出和實(shí)現(xiàn)了其他解決方案。Radian內(nèi)存多年來一直在其SSD上支持自己的分區(qū)存儲(chǔ)形式。他們的解決方案是允許在寫指針前一定距離內(nèi)的無序?qū)懖僮鳌SD將緩存這些寫操作，并將寫指針提前定位到數(shù)據(jù)目前寫入的第一個(gè)間隙。還有一項(xiàng)NVMe技術(shù)提案正在標(biāo)準(zhǔn)化，即ZRWA（Zone Random Write Area），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，這兩種方法在SSD上都需要更多的資源，但可以證明，這使軟件開發(fā)人員的工作更加輕松。