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    浪潮存儲胡文鋒:浪潮ZNS SSD技術實現與應用

    Zoned Namespaces(ZNS)是從Open Channel(開放通道)SSD基礎上發展而來的一項NVMe標準工作組技術提案,其特點是把Namespace的邏輯地址空間切分成多個zone,因此它繼承了Open Channel SSD I/O分離、可預測性延遲等優勢。

    由于將NVMe 2.0中的一部分進行了標準化處理,ZNS協議簡化了軟件架構,化解了Open Channel靈活性不足的難題,用戶可以根據自身場景需求更加容易進行特定軟件開發,行業應用更加廣泛,生態環境更加友好。

    ZNS SSD基本原理與特點

    對比Open Channel SSD與ZNS SSD(Zoned Namespace SSD,即分區命名空間固態硬盤),無論從接口的標準還是基底的實現,后者都具有比較優勢。

    ZNS SSD把存儲空間劃分成不同的區域(Zone),針對Zone完成讀、寫以及open,close、reset等系列指令。由于Zone要求嚴格順序寫,對Zone SSD的推廣形成阻礙,所以業界發明了名為append/ZRWA的技術,來有效地解決Zone之間類似隨機寫的過程:Append是指主機下發寫指定Zone(不指定LBA,SSD收到返回落入的LBA,這樣主機無需考慮下發的順序性),ZRWA則實現小范圍隨機寫入。

    ZNS SSD方案具有三大優勢:一是Zone的順序寫入方式大幅縮減了整盤的寫放大,可大幅提升SSD的使用壽命,而用戶數據與管理數據物理隔離,提高了垃圾回收效率;二是Nand控制機制對應用透明化,有效提升讀寫性能,降低了延遲;三是Zone的順序寫入降低了整盤的OP空間需求,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也存在不足之處。它把FTL Flash Translation Layer(閃存轉換層)從SSD內部遷移并開放給了上層的Host端,讓用戶可以根據自己需要靈活的擁有自己特定的FTL,但其軟件架構必須重新設計,對客戶的技術能力提出了更高得要求。

    ZNS也是華中科技大學計算學院馮丹院長正在研究的課題之一。她認為,ZNS是Open Channel的一種標準接口的實現,其核心是通過ZNS把物理的地址發送出來,再通過Append技術增加IO隊列。

    浪潮存儲產品線SSD產品總經理胡文鋒在“2021全球閃存峰會”上闡述浪潮ZNS SSD技術實現與應用

    在浪潮存儲產品線SSD產品總經理胡文鋒看來,ZNS就是標準的更加規范化,生態上的更友好。由于其十分靈活的特性,國內一些廠商特別是公有云廠商對ZNS非常感興趣,一些應用也在陸續落地,應用效果逐步展現。

    浪潮ZNS SSD的優勢與關鍵技術點

    ZNS存儲技術針對的是云場景應用,適用于大容量空間存儲的數據,例如高清視頻、圖像等。浪潮存儲SSD研發團隊與云服務提供商緊密合作,對其軟件堆棧進行自上而下的優化,完成了業務適配和定制化SSD開發,實現了分區存儲,技術實力得到了用戶高度認可,滿足業務發展需求的同時,TCO總體擁有成本大幅降低,為客戶帶來了可觀的經濟效益。

    面對SSD盤價格居高不下的狀態,浪潮在國內率先推出了新一代ZNS SSD全新架構方案,在性能、容量、壽命、成本、易用性等方面實現了飛躍式提升。在7月30日召開的2021全球閃存峰會上,胡文鋒就ZNS具體的實現路徑發表了演講,并展示了浪潮SSD的布局。

    浪潮存儲推出的ZNS SSD主要規格如下:標準容量按照6.4TB來交付,但有效容量最高可達8.3TB;順序讀寫性能有極大的提升,如寫方面單Zone達到1700MB/s,全局3200MB/s以上,讀方面單Zone達到1700MB/s,全局3200MB/s以上,隨機讀IOPS與標盤持平;最大Open Zone數量標準盤為8個,但可以定制多到20個;單個Zone的容量是1.5G,此外也接受如256MB、377MB、755MB等多種容量類型的定制。

    ZNS SSD的關鍵技術點是在推廣過程中客戶關心的話題。

    以NS8600G1-Z為例,其支持Zone Reset和Zone append,后者IOD支持到最大Zone容量與IO;支持完整ZNS協議,支持熱插拔特性,包括最大Open Zone同時讀寫情況下的熱插拔、混合Zone操作下熱插拔;支持Spdk的IO適配,已完成Spdk 20.10正式代碼的IO適配。

    通過IO模型展示ZNS優勢的測試結果

    ZNS SSD的優勢可通過具體測試數據來說明,最主要的優勢可通過IO模型展現。

    這是一個典型的多流順序寫場景。

    以一個8T用戶容量的浪潮存儲ZNS SSD與一個6.4T用戶容量的普通SSD作為對照,以半隨機模式進行測試,測試流程如下:

    用應用軟件模擬2個順序寫入數據流,數據塊大小是128k,兩個數據流分別操作全盤各50%的容量,空盤開始執行測試,直至達到穩態。

    測試結果顯示,浪潮存儲ZNS SSD總帶寬穩定在3.2GB/s,而普通SSD總帶寬從3.2GB/s下降并穩定在0.8GB/s~1.1GB/s。

    結論是,采用浪潮存儲自研ZNS SSD的服務器,其容量提升了33%,壽命延長了140%,性能超出210%;作為兩項關鍵的綜合指標是,每GB的成本下降了60%,整體TCO降低了24%。

    馮丹院長曾提出,從Open Channel到ZNS標準接口的落地,供應商仍面臨兩大挑戰:極致性能的提升與延時的穩定性保證。雖然業界尚未形成成熟的解決方案,但在浪潮內部,技術團隊已經研究出了一些解決方案。

    浪潮:打造全球領先的自主品牌SSD

    針對業界很多人都在關心浪潮存儲做SSD意味著什么、做到了什么程度。

    胡文鋒把到目前為止的階段性成果向與會者進行了分享。

    浪潮存儲產品線SSD產品總經理胡文鋒在“2021全球閃存峰會”上

    浪潮為什么做SSD?與國內很多廠商不同,浪潮是先有服務器再有SSD。去年浪潮存儲占全國市場份額超40%,對外采購的企業級SSD片數已經超過200萬片。面向終端客戶,浪潮提供從整機、套盤到底層的控制器一體化的解決方案,在浪潮的服務器、存儲、超融合產品中也有大量的應用。

    浪潮存儲SSD正式量產是在去年9月,至今已經半年多。截至今年6月底,浪潮SSD已經落地于電信運營商、頂級的公有云廠商以及金融等關鍵客戶,還有一些正在測試的過程中。在服務客戶的同時,浪潮SSD也服務于內部——剛剛過去的7月,采用浪潮SSD的AS13000全閃存儲產品就在SPC-1測評中獲得全球第一,同時也助力浪潮InCloud Rail打榜SPECVirt全球第一。

    浪潮SSD助力分布式存儲 SPC-1全球第一

    浪潮存儲正秉承“云存智用 運籌新數據”的存儲理念,在發力分布式存儲和全閃存儲兩大存儲平臺之外,不斷推出更高性能、更大容量的SSD固態盤,實現從存儲部件到存儲系統的全面創新,加速客戶數字化轉型。



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