浪潮新一代ZNS SSD固态盘解码：如何将性能提升210%

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。

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。

作者：浪潮存储产品经理 宗岗岗、浪潮存储SSD资深架构师 赵宝林

审核编辑 黄昊宇