浪潮新一代ZNS SSD固态盘解码：如何将性能提升210%

2021年年初，由于产能供应紧缺，SSD固态盘价格开始上涨，目前240GBSSD报价由24.2美元上涨至24.6美元；480GBSSD报价由44美元上涨至44.5美元。浪潮在这一领域持续创新，推出了新一代ZNS（分区命名空间）SSD。该产品实现了性能、容量、寿命、成本、易用性等方面的飞跃式提升。该产品是继2019年IPF大会上浪潮存储发布NVMeSSD固态盘之后，浪潮存储在固态盘技术方面的全面升级。

ZNSSSD是分区命名空间固态硬盘，是从OC（开放通道）SSD发展而来的。该产品把FlashTranslationLayer（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。用户可以根据自己需要选择特定的FTL，但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NVMe2.0中的一部分进行标准化处理，以满足行业需求。相比之下ZNSSSD规范更加标准，生态环境更加友好，简化了软件架构，用户可以更加容易根据自身场景需求进行特定软件开发。该产品将FTL移至Host端进行数据管理和I/O调度，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SSDnamespace的整个逻辑区块地址（LBA）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内必须按顺序进行写入，每个zone有其独立的状态机进行管理。该产品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是一种顺序读写的配置，这种方法可以保证读写过程的并发性最好。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，当多线程写入同一个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，因此同一个zone的写入队列深度不能超过1。为解决这个问题，ZNS提供了append附加写和ZRWA（分区随机写入区）两种写入模式：其一是Append写入模式，该命令由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；其二是ZRWA允许在SSD缓存中对数据进行随机写入和就地覆盖。与ZoneAppend命令相比，这种方法在SSD上需要更多的资源。

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ZNSSSD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。

ZNSSSD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QLCNAND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。

ZNSSSD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zonereset命令等，这样应用及驱动都需要更多的配合ZNSSSD，不过当前各大存储系统及开源工具都已经或者计划完成ZNSSSD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，ZNSSSD主要有五大优势：消除了SSD的GC（GarbageCollection，垃圾回收）进程的WAF（WriteAmplification，写放大）、消除了传统的OP（Overprovisioning，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ZNSSSD介绍

浪潮是国内率先推出ZNSSSD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NS8600G16.4TB容量点呈现：

首先成本优势，对比普通SSD，同等容量的浪潮ZNSSSD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（DriveWritesPerDay，驱动器日写入量），将SSD寿命提升70%；

其次性能优势，浪潮ZNSSSD能够显著降低写延时，通过zone在物理上的隔离，可以极大降低写时延；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。