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浪潮存储胡文锋:浪潮ZNS SSD技术实现与应用

Zoned Namespaces(ZNS)是从Open Channel(开放通道)SSD基础上发展而来的一项NVMe标准工作组技术提案,其特点是把Namespace的逻辑地址空间切分成多个zone,因此它继承了Open Channel SSD I/O分离、可预测性延迟等优势。

由于将NVMe 2.0中的一部分进行了标准化处理,ZNS协议简化了软件架构,化解了Open Channel灵活性不足的难题,用户可以根据自身场景需求更加容易进行特定软件开发,行业应用更加广泛,生态环境更加友好。

ZNS SSD基本原理与特点

对比Open Channel SSD与ZNS SSD(Zoned Namespace SSD,即分区命名空间固态硬盘),无论从接口的标准还是基底的实现,后者都具有比较优势。

ZNS SSD把存储空间划分成不同的区域(Zone),针对Zone完成读、写以及open,close、reset等系列指令。由于Zone要求严格顺序写,对Zone SSD的推广形成阻碍,所以业界发明了名为append/ZRWA的技术,来有效地解决Zone之间类似随机写的过程:Append是指主机下发写指定Zone(不指定LBA,SSD收到返回落入的LBA,这样主机无需考虑下发的顺序性),ZRWA则实现小范围随机写入。

ZNS SSD方案具有三大优势:一是Zone的顺序写入方式大幅缩减了整盘的写放大,可大幅提升SSD的使用寿命,而用户数据与管理数据物理隔离,提高了垃圾回收效率;二是Nand控制机制对应用透明化,有效提升读写性能,降低了延迟;三是Zone的顺序写入降低了整盘的OP空间需求,降低了Nand用量,打破FTL表千分之一的容量需求,大幅降低DRAM的需求。

ZNS也存在不足之处。它把FTL Flash Translation Layer(闪存转换层)从SSD内部迁移并开放给了上层的Host端,让用户可以根据自己需要灵活的拥有自己特定的FTL,但其软件架构必须重新设计,对客户的技术能力提出了更高得要求。

ZNS也是华中科技大学计算学院冯丹院长正在研究的课题之一。她认为,ZNS是Open Channel的一种标准接口的实现,其核心是通过ZNS把物理的地址发送出来,再通过Append技术增加IO队列。

浪潮存储产品线SSD产品总经理胡文锋在“2021全球闪存峰会”上阐述浪潮ZNS SSD技术实现与应用

在浪潮存储产品线SSD产品总经理胡文锋看来,ZNS就是标准的更加规范化,生态上的更友好。由于其十分灵活的特性,国内一些厂商特别是公有云厂商对ZNS非常感兴趣,一些应用也在陆续落地,应用效果逐步展现。

浪潮ZNS SSD的优势与关键技术点

ZNS存储技术针对的是云场景应用,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。

面对SSD盘价格居高不下的状态,浪潮在国内率先推出了新一代ZNS SSD全新架构方案,在性能、容量、寿命、成本、易用性等方面实现了飞跃式提升。在7月30日召开的2021全球闪存峰会上,胡文锋就ZNS具体的实现路径发表了演讲,并展示了浪潮SSD的布局。

浪潮存储推出的ZNS SSD主要规格如下:标准容量按照6.4TB来交付,但有效容量最高可达8.3TB;顺序读写性能有极大的提升,如写方面单Zone达到1700MB/s,全局3200MB/s以上,读方面单Zone达到1700MB/s,全局3200MB/s以上,随机读IOPS与标盘持平;最大Open Zone数量标准盘为8个,但可以定制多到20个;单个Zone的容量是1.5G,此外也接受如256MB、377MB、755MB等多种容量类型的定制。

ZNS SSD的关键技术点是在推广过程中客户关心的话题。

以NS8600G1-Z为例,其支持Zone Reset和Zone append,后者IOD支持到最大Zone容量与IO;支持完整ZNS协议,支持热插拔特性,包括最大Open Zone同时读写情况下的热插拔、混合Zone操作下热插拔;支持Spdk的IO适配,已完成Spdk 20.10正式代码的IO适配。

通过IO模型展示ZNS优势的测试结果

ZNS SSD的优势可通过具体测试数据来说明,最主要的优势可通过IO模型展现。

这是一个典型的多流顺序写场景。

以一个8T用户容量的浪潮存储ZNS SSD与一个6.4T用户容量的普通SSD作为对照,以半随机模式进行测试,测试流程如下:

用应用软件模拟2个顺序写入数据流,数据块大小是128k,两个数据流分别操作全盘各50%的容量,空盘开始执行测试,直至达到稳态。

测试结果显示,浪潮存储ZNS SSD总带宽稳定在3.2GB/s,而普通SSD总带宽从3.2GB/s下降并稳定在0.8GB/s~1.1GB/s。

结论是,采用浪潮存储自研ZNS SSD的服务器,其容量提升了33%,寿命延长了140%,性能超出210%;作为两项关键的综合指标是,每GB的成本下降了60%,整体TCO降低了24%。

冯丹院长曾提出,从Open Channel到ZNS标准接口的落地,供应商仍面临两大挑战:极致性能的提升与延时的稳定性保证。虽然业界尚未形成成熟的解决方案,但在浪潮内部,技术团队已经研究出了一些解决方案。

浪潮:打造全球领先的自主品牌SSD

针对业界很多人都在关心浪潮存储做SSD意味着什么、做到了什么程度。

胡文锋把到目前为止的阶段性成果向与会者进行了分享。

浪潮存储产品线SSD产品总经理胡文锋在“2021全球闪存峰会”上

浪潮为什么做SSD?与国内很多厂商不同,浪潮是先有服务器再有SSD。去年浪潮存储占全国市场份额超40%,对外采购的企业级SSD片数已经超过200万片。面向终端客户,浪潮提供从整机、套盘到底层的控制器一体化的解决方案,在浪潮的服务器、存储、超融合产品中也有大量的应用。

浪潮存储SSD正式量产是在去年9月,至今已经半年多。截至今年6月底,浪潮SSD已经落地于电信运营商、顶级的公有云厂商以及金融等关键客户,还有一些正在测试的过程中。在服务客户的同时,浪潮SSD也服务于内部——刚刚过去的7月,采用浪潮SSD的AS13000全闪存储产品就在SPC-1测评中获得全球第一,同时也助力浪潮InCloud Rail打榜SPECVirt全球第一。

浪潮SSD助力分布式存储 SPC-1全球第一

浪潮存储正秉承“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,加速客户数字化转型。



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