【忆芯技术分享】ZNS赋能数据中心新应用

ZNS背景以及发展历程

当今社会在大数据和云计算不断发展下，时延(Latency) 和QoS(Quality of Service)逐渐成为评价SSD性能好坏最为重要的标准。传统基于NAND的SSD由于其颗粒物理特性在使用后期不可避免的会出现性能下降，QoS变差等情况，但上层业务的爆发式增长对存储性能提出了更加苛刻的要求，产生了对高IOPS、低读写延时、高寿命，同时保证产品可靠性的存储介质需求，为了改善这一棘手问题，ZNS应运而生。ZNS全称为(Zone Namespace)，中文译为分区命名空间，在NVMe 2.0协议中正式标准化提出，成为几个Memory Base IO协议(NVM Set、KV、ZNS)中的一员。

图1. NVMe 2.0支持标准化ZNS (引自NVMe 2.0 Specification)

ZNS由最初的OC(Open Channel)发展而来，经历OC1.2、OC2.0到现在的ZNS版本。相比OC版本，ZNS更适合标准化和产品化，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。整个系统分“Host FTL”和“Zoned FTL”两大部分，其中“Host FTL”主要做IO调度、数据摆放等，“Zoned FTL”主要做盘上介质管理、错误处理等。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，提高了总体性能并实现了I/O隔离。

图2. ZNS经OC演变历程

ZNS现有生态状况

系统支持情况

ZNS历经发展，目前已经有一些生态配套和支持了，Linux®内核版本4.10开始支持ZBD(Zone Block Device “分区存储块设备”)，并在Linux内核版本5.9开始全面支持ZNS。

图3. Linux内核支持ZNS路线图 (引自zonedstorage.io)

图4. Linux协议栈支持ZNS (引自zonedstorage.io)

工具支持情况

QEMU®开源仿真平台也从QEMU 6.0版本开始全面支持ZNS，便于开发者无硬件环境开发和仿真ZNS。灵活的Zone配置和错误注入，加速ZNS方案的开发和落地。

图5. QEMU对ZNS的支持 (引自zonedstorage.io)

“blk-zone”和“nvme-cli”开源工具也开始支持ZNS的管理，包括：

a) ZNS Management: send / receive, descriptors

b) ZNS Report: Zone Information & Log pages

c) ZNS I/O (zone append)

图6. BLK-ZONE和NVME-CLI对ZNS的支持

“fio”作为存储设备的主要性能测试工具，在3.9版本开始全面支持ZNS，可以对ZNS SSD进行性能分析和测试。

图7. FIO对ZNS的支持

文件系统支持情况

目前主流支持ZNS的文件系统有：zonefs，f2fs，btrfs，xfs，ext4，其中前3者应用较多，可以看到市场上有明显应用案例。

ZNS技术特点

传统标准SSD通过FTL模块将收的用户数据按接收的先后顺序依次写入NAND介质中，没有按逻辑块地址LBA进行有序排列，久而久之，FTL为了不让介质空间耗尽，就必须起后台叫GC的任务来回收无效的用户数据，导致SSD用户性能降低和额外的写放大，从而影响SSD寿命。ZNS作为一种特殊的namespace，其要求单个zone内必须顺序写，不同种类的用户数据可以分配到不同的zone，从而消除了GC所带来的问题。

图8. 标准SSD vs ZNS SSD 数据摆放 (引自SDC 2020)

ZNS的特点：

· 盘上没真正的GC 操作，需要应用层自己控制空间的回收；

· 总的 Active Zone有上限，并不能并行打开超多 zone 同时写入；

· 单个Zone常规写操作只能支持QD=1的访问模式，因此每次写入需要尽量大才能打满带宽；

· 单个Zone只能支持顺序写，写完后只能一次性reset，不能部分reset；

· 单个ZNS下面的所有zone size必须大小一样；

· 单个zone size必须是LBA数量的2次幂；

· 单个zone的可用容量(zone capacity)可以比zone的总大小(zone size)小。

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。

图9. ZNS总体示意图 (引自snia.org)

Zone的状态机：ZNS中每个zone有独立的状态机进行控制，每个状态机按照固定规律进行转换。

图10. ZONE状态机示意图 (引自snia.org)

Zone内部LBA分布情况：由于zone只支持LBA顺序写，所以单个zone内LBA呈现连续分布，写指针(WP)始终指向下一个顺序写的LBA位置，如果单zone内需要重复写，需要先进行zone reset操作。

图11. ZONE内部LBA示意图 (引自snia.org)

Zone的两种写入方式：write和zone append。

· Write命令为ZNS兼容标准IO命令，要求必须为QD=1；

· Append命令为ZNS独有IO命令，支持多QD模式，但QD不能超过zone内LBA数目。

其中write命令需要Host指定LBA，而append命令则由SSD自动分配并通过CQE回给Host。

图12. ZONE WRITE示意图 (引自snia.org)

图13. ZONE APPEND示意图 (引自snia.org)

Zone的映射方式：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。目前主流的映射方式有2种：

1) 横向映射方式，即一个zone横跨所有Die，其优点为zone连续写入时可以并发打满整个NAND带宽，峰值带宽很高；缺点为多zone同时操作时存在NAND资源竞争情况，会影响QoS；

2) 纵向映射方式，即一个zone独享一个Die，实现物理上的IO隔离，其优点为多zone并发操作时不互相影响，实现真正的独立操作，能保证良好的QoS，缺点为只能单Die并发，峰值带宽较低。

图14. ZONE的映射方式示意图 (引自snia.org)

ZNS带来的改变和优势

得益于ZNS的顺序写特点，ZNS SSD具有以下几点优势：

图15. ZNS的优势示意图

性能优势：

· 稳态性能好：由于ZNS SSD只有顺序写，所以对盘来说没有真正意义上GC操作，在满盘持续写入情况下，性能如初；

· 峰值带宽高：ZNS SSD的IO颗粒度更友好，能充分利用NAND多Die并发操作，总带宽很高；

· QoS优势：由于ZNS具有IO隔离的特点，支持不同IO类型单独处理，相比传统SSD QoS更好；

· 可预测的Latency：传统SSD由于GC的存在，当GC任务启动后，会增加盘内IO latency，从而导致系统IO latency不可控，而ZNS SSD由于没有GC的存在，从根本上消除了盘内IO latency的影响。

寿命优势：

· 寿命更长：NAND有PE(擦写)寿命限制，ZNS SSD由于没有GC，消除了GC所带来的额外写放大(WA)，相比传统SSD具有更长的使用寿命。

成本优势：

· 颗粒成本更低：ZNS解决了写放大问题，相同使用寿命周期内，相比传统SSD可以选择PE较少的颗粒，比如QLC，物料成本更低；

· OP(预留空间)更小：由于没有GC的存在，FTL不需要额外的预留容量来支持GC的运转，理论上来说ZNS SSD可以做到0%的OP，相同用户容量下可以贴更少的颗粒；

· DRAM容量需求更少：传统SSD一般选择4KB来进行逻辑地址和物理地址相互映射，所使用的DRAM用量约为SSD总容量的千分之一，ZNS SSD由于具有LBA全顺序写入特点，支持以zone为粒度的大容量映射，通常可以做到GB级别的映射关系，从而大幅减少DRAM用量。

图16. ZNS vs 不同OP标盘持续写性能对比 (引自SDC 2020)

ZNS应用场景

目前ZNS最为典型的应用莫过于“RocksDB + ZenFS”这对黄金组合，RocksDB是Facebook开发以Key-value导向的日志型数据库，能将用户冷热数据分开存储，其数据写入特点是以append only方式，同ZNS的严格顺序写有异曲同工之妙，配合全面适配ZNS的ZenFS文件系统，将最大化发挥ZNS SSD的优势。

图17. RocksDB + ZENFS的典型应用 (引自zonedstorage.io)

忆芯ZNS状况

忆芯科技作为国内较早布局高性能固态硬盘主控芯片研发的企业，一直致力于赋能高性能存储解决方案，时刻保持着新技术和方案的洞察力，今年下半年即将推出的基于高端企业级主控STAR2000的企业级方案STAR2000E全面支持NVMe 2.0协议，为固件全面支持ZNS提供了强大基础，配合忆芯强大的固件开发能力，快速完成ZNS的适配，最大化发挥ZNS的优势，赋能数据中心新应用。

忆芯科技在企业级固件架构设计之初就考虑到兼容多种固件模型，包括KV、标盘、OC/ZNS/QEMU仿真等，所以在固件设计上对ZNS的适配有得天独厚的优势。

图18. 忆芯企业级方案架构图

未来云计算、人工智能、物联网等技术加速发展，企业级存储方案将保持高速增长态势，忆芯科技将始终坚持“为海量数据提供最优存储方案“的初心，持续推进eSSD和ZNS SSD在统一存储、分布式存储中的应用，以更优的解决方案满足多数应用对QoS及Latency需求，释放数据价值加速数字化转型。

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北京忆芯科技有限公司成立于2015年底，作为国内较早从事高性能固态硬盘主控芯片研发的企业，致力于成为赋能大数据应用的芯片全球领导者。经过7年的发展，公司已成长为国内领先的高端PCIe SSD主控芯片和成品盘供应商，为各行业的信息化发展提供高质量芯片级底层保障，业务方向覆盖消费级、工业级和企业级，主控芯片及解决方案。

忆芯科技核心成员具有多年研发经验和多项研发成果，拥有从底层算法到芯片设计，再到解决方案设计等多方面的丰富经验。在坚持自主研发基础上，研发的芯片产品拥有250余项自主知识产权，并创新性地将处理器架构首次引入存储领域；现已成功完成3款高端消费级、企业级SSD主控芯片流片，所研发的高性能低功耗NVMe SSD主控已量产出货。公司总部位于北京，在上海、成都、合肥、厦门、深圳分别设有研发中心和客户技术支持中心。