闪存阵列如何处理“写断崖”和“垃圾回收”

随着成本降低和技术进步，闪存越来越多的被企业级数据中心作为存储介质使用。相比传统的磁盘介质，闪存的优势显而易见：速度快，耗电低，省空间。特别在速度方面，闪存具有压倒性的优势。

比方说，客户原来采用某款高端磁盘阵列的时候，处理某个业务，需要花费10个小时。后来替换为闪存阵列，同样处理该业务，只需要2个小时就可以完成。闪存带来的性能优势非常的明显。

但客户在使用用闪存阵列时发现：刚开始处理业务只用2个小时，可是运行了一段时间之后，忽然有一天，客户发现处理业务用了2小时30分钟。于是，问题来了，客户一方面觉得2小时30分钟比过去的10小时还是快多了，一方面也会想，为啥比起2小时，现在处理作业的时间慢了25%？

由此，我们来了解一下，闪存中的“写断崖（Write-Cliff）”现象。

什么是垃圾回收？

闪存是电子类介质，其处理数据的写入方式和传统的磁类介质（磁盘或者磁带）的覆盖写不同：新数据写入的区块，必须是空白区块，如果该区块存有旧数据，那么必须先对旧数据进行“擦除”（Erase）。尤其是当写入的数据总量达到闪存提供的所有容量之后，再次写入更新时，就必然会产生“擦除”。

相比于常规的读取和写入操作，擦除有2个特点。

第一，擦除的速度比读写要慢。擦除时间可能是写入时间的10倍以上，基本达到ms级别；

第二，擦除的处理单位要比读写大：读写的处理单元是page（一般4KB大小，或者更大），擦除的单元是block（多个page组成，一般不少于512KB）。

如此，极端情况下，要写入4KB的数据到某个已存有4KB旧数据的区块，有可能首先先擦除其周边512KB的区块空间。

这种将Block中的有效Page合并到一个新的Block中，并将旧的Block进行擦除，留出更多的空闲Block的机制就叫做垃圾回收（Garbage Collection）。垃圾回收就相当于固态硬盘的碎片整理，目前基本已是SSD的标配机制，在全闪存阵列设计优化中也有涉及。

闪存“垃圾回收”带来的“写断崖”和“写放大”

回到文章一开始客户遇到的性能下降25%的问题，在了解完闪存垃圾回收的过程之后，就很容易理解了。一台40TB可用容量的闪存阵列应用到客户现场，起始都是“干净”的空白小块，写入速度很快。但随着数据的不断更新，必然会出现对应的数据搬运，数据擦除等后台垃圾回收的相关操作，从而提供“干净”的小块给后续的写入操作。若这些操作若和前端应用程序并行，将可能导致了性能的下降，我们称之为“写断崖（Write-Cliff）”。

“写断崖”仅仅是垃圾回收带来的问题之一。垃圾回收还带来的另外一个问题，叫做“写放大”：闪存的每个Cell（颗粒）都是有写入次数的寿命限制的。垃圾回收导致了额外的Cell写入，加速了Cell寿命消耗。我们称之为“写放大（Write-Amplification）”。

如何处理“写断崖”和“写放大”

写断崖和写放大都是闪存介质与生俱来的特性，无论是SSD固态硬盘，还是目前的全闪存阵列厂商，都无法避免这两个问题。

闪存阵列厂商一般会通过介质材料，算法以及架构的优化等手段，来将这两种影响控制在一定的范围内。比如某厂商，通过以下手段来优化写断崖的问题：

首先，采用“超供给”（ Over-Provisioning）方式，通过提供更多的颗粒数量（比如用户可见容量40TB，而实际物理容量超过67TB），用于减缓整体闪存寿命的磨损，并实现更为灵活的预防性垃圾回收。

同时，采用了灵活的垃圾回收处理机制，配置闲时垃圾回收引擎，从而不占用处理前端应用数据IO的硬件资源。

最后，通过全局FTL和优化的上层写入机制，将随机IO整理顺序化，减少底层实际读写次数。

此外，还有均衡磨损算法，监测机制等手段，来优化缓解这两个问题。

总之，对该问题处理的效果，也是衡量闪存阵列能力的因素之一。

消除误区，“写断崖”并不可怕

最后，需要说明的是，写断崖并不可怕。

即使写断崖带了的性能的降低，但速度降下来之后，若闪存阵列处理得当，其性能还是要远远高于传统磁盘阵列。好比您以100块钱的价格买了一种纪念币，最好的时候纪念币价格飙升到了300块钱，但后来降到了280块钱，并在280块钱平稳下来。那么整体来看，收益还是很好的。

所以在对闪存阵列选型时，一定要搞清楚闪存阵列厂商是否对该问题进行过优化，并最好让厂商给出一些有说服力的数据或者测试报告。