SiliconMotion：ZNS在QLC闪存上的测试数据

关键要点

1. ZNS（Zone Name Space）是一种灵活的闪存存储配置方式，适用于需要大量随机写入的应用场景。

2. QLC（Quad Level Cell）具有更低的成本和较好的读性能，但耐久性较差。

3. ZNS+QLC可以满足只进行顺序写入且不需要垃圾回收的应用需求，并提供良好的读性能和较低的成本。

4. SM8366是一款支持ZNS的控制器，可实现多种ZNS配置模式，并具有较高的IO性能和功率效率。

问题意识

为什么在QLC闪存中要使用ZNS？

先来了解下QLC和ZNS的概念。

QLC（四级单元） 闪存是一种存储技术，能够在每个存储单元中存储4比特数据。其主要特点包括：

1. 1. 高存储密度：相比于TLC（三级单元）和MLC（双级单元），QLC可以在相同的物理空间内存储更多数据，提升了存储密度。
2. 2. 成本效益：由于更高的存储密度，QLC闪存通常在单位存储成本上更具优势，适合大容量存储需求。
3. 3. 较低的写入性能：QLC的写入速度和耐用性通常低于TLC和MLC，因为更多的电压级别使得数据编程和擦除过程更复杂。
4. 4. 适合读取密集型应用：由于其较高的读取速度，QLC闪存适用于读取频繁但写入较少的场景，如数据中心的冷存储和大数据分析。

Zone Name Space（ZNS） 是一种新兴的存储技术，旨在优化高密度固态硬盘（SSD）的性能和效率。它的背景主要源于传统NAND闪存的写入放大（WAF）和垃圾回收（GC）问题。随着数据中心对高性能和高密度存储需求的增加，ZNS通过将存储介质划分为多个“区域”，允许应用程序直接管理数据的写入，从而减少写入放大，提高写入性能，降低延迟。

ZNS特别适合大数据分析、云计算和高性能计算等场景，可以显著提高存储资源的利用率，使得数据的管理更加灵活高效。随着越来越多的SSD厂商和软件平台支持ZNS，预计这一技术将在未来的存储生态系统中扮演重要角色。

图讨论了使用ZNS与QLC结合的理由。强调了GC和WA的高成本，以及SSD在处理这些操作时的局限性，建议将这些任务交给主机来管理，并指出仅允许顺序写入以提高效率。右侧的图表展示了写放大（WA）与操作（OP）的关系，随着顺序写操作的增加，写放大值逐渐降低。

为什么选择QLC？

• • 更低成本：70~80% 的TLC成本
• • 良好的读取性能：
  • • ~100微秒读取延迟
  • • 在随机读取工作负载下，饱和PCIe Gen 5 x4所需的芯片数少于100（减少数据引脚）
• • 一般写入性能
• • 较差的耐久性：1.5K~3K PEC
  • • TLC的写入放大(WA)为5 → 良好的DWPD
  • • QLC的写入放大(WA)为1 → 也有良好的DWPD

数据对比表：

• • 各厂商（Kioxia/WD, Micron, SK-Hynix, Samsung）在层数、面数、面积密度、程序带宽、延迟和接口等方面的技术规格。

图展示了ZNS与QLC结合的优势，主要针对那些进行顺序写入的主机。它强调了在无需垃圾回收或自行处理垃圾回收的情况下，ZNS + QLC能够提供良好的读取性能和降低成本。这种组合特别适用于OLAP、大数据、AI、媒体流及NoSQL等应用场景。

罗列了3类适合ZNS的业务模型

该表格比较了三种区域存储模型（模型 A、B 和 C），重点在于它们的应用场景、性能、IO 命令要求及先进特性。

• • 模型 A 适合广泛应用，推荐使用多个开放区域；
• • 模型 B 强调高并行性以充分利用带宽；
• • 模型 C 则支持多用户的并行访问。

各模型在强制 IO 命令和媒体可靠性管理方面也有所不同，反映了不同应用需求的特点。

图表阐述了使用QLC闪存的优势，包括成本低、读取性能好和可接受的写入性能，但耐久性相对较差。表格部分比较了主要厂商在技术参数上的差异，显示了不同厂商在层数、面积密度和性能指标上的特点，强调了QLC在现代存储解决方案中的潜力。

表格比较了三种不同模型（A、B、C）的 SM8366 ZNS 规格，主要涵盖了示例用例、开放/活动区域资源、性能、强制 IO 命令和高级特性等方面。

模型 A 和 B 支持多区域并行访问，而模型 C 允许主机管理并行访问以提升性能。

在高级特性方面，模型 B 提供区域追加支持，而模型 A 和 C 则在媒体可靠性管理上提供不同的 RAID 保护方案。整体来看，模型 C 在资源管理和吞吐量上提供了更大的灵活性。

• • 1K+开放区要求SSD控制器提供相当大的高带宽写入缓存。
  • • 充电捕获QLC NAND通常需要两次数据传输，且有N个字线间隔。
  • • 为了处理写-写冲突和写-擦除冲突，还需要额外的写入缓存来在等待时间内缓冲主机数据。
• • SSD控制器约束
  • • 内部SRAM（通常为8-16MB）不足以作为所有开放区的数据操作和程序缓冲。
  • • 使用DRAM作为程序缓冲受限于两个因素：DRAM带宽和超级电容器。
  • • RAID奇偶校验缓冲区大小和容量问题。

讨论了在支持1K+开放区时，SSD控制器面临的挑战。主要问题在于写入缓存的需求增加，尤其是在处理复杂的写入和擦除操作时。

此外，内部SRAM的容量有限，且使用DRAM作为缓冲也受到带宽和电源容量的限制，这对数据处理效率构成了挑战。

ZNS 数据流设计

• • 使用 2 级缓冲（SRAM + DRAM）分别进行数据处理和编程：
  • • SRAM：RAID 编码、固件元数据插入、RAID 校验缓冲（2）（3）
  • • DRAM：用于编程 SLC（4）或直接编程 QLC 的数据缓冲（5）
• • 解决方案 A/B 以支持 1K+ 开放/活动区域：
  • • A 方案（右图上）使用 SLC Copyback：需要较少的 DRAM 带宽，但需额外监控 SLC 块的 RBER。
  • • B 方案（右图下）使用 SLC Backup：消耗更多的 DRAM 带宽。

讨论了 ZNS 数据流设计的两种主要方案，强调使用 SRAM 和 DRAM 的两级缓冲来提高数据处理效率。

可配置区域选项

• • 一个die-block是指同一组平面块，具有相同的Word-line偏移，例如Micron N48R QLC的die-block0由四个平面中的四个块组成。
• • ZNS配置表基于具有128个N48R die（或LUNs）的ZNS SSD。

图表展示了可配置的ZNS选项，包括不同的区域容量、最大开放区域数量以及RAID保护选项。

每个选项的die-blocks数量和相应的存储容量不同，适用于不同的存储需求和性能要求。图中还解释了die-block的定义及其在存储设备中的作用。

在实际业务中，选择恰当的Zone Capacity时，应该参考以下数据和依据：

1. 1. 工作负载特性：
   • • 读/写比例：分析应用程序的读写需求，以确定是否需要更高的写入性能。
   • • IOPS需求：评估每秒输入/输出操作的需求，选择能满足这些需求的容量。
2. 2. 数据持久性：
   • • 数据重要性：根据数据的重要性和保留时间，选择合适的RAID保护选项和Zone Capacity。
3. 3. 性能要求：
   • • 延迟要求：针对低延迟需求的应用，可能需要更小的Zone Capacity以提高响应速度。
4. 4. 存储效率：
   • • 空间利用率：考虑存储空间的利用率和碎片化情况，选择能够优化存储空间的配置。

• • SM8366 具有可配置的数据流，支持在 SNIA 区域存储任务组定义的三种 ZNS 使用模型中灵活的区域配置。
• • SM8366 支持 Turnkey ZNS 解决方案或完全自定义的 FTL，具有分层的 FW 架构。
• • SM8366 展示了顶级的 ZNS IO 性能和能效。

*测量基于 SPDK

总结

本文介绍了使用灵活区命名空间配置来优化QLC固态硬盘（SSD）的应用程序。主要要点包括：

1. 1. 为什么使用ZNS与QLC：使用ZNS可以解决固态硬盘不知道如何正确处理垃圾收集（GC）和写入顺序等问题，同时允许主机负责处理这些问题，并且只支持顺序写入。
2. 2. ZNS的用途模型：ZNS有三种不同的用途模型，分别是单用户、多用户和混合工作负载。每种模型都有不同的性能指标和可扩展性需求。
3. 3. ZNS的实现挑战：实现灵活的ZNS配置需要考虑许多因素，如高带宽写缓冲器大小、数据传输次数、等待时间等。此外，还需要考虑内部SRAM、DRAM和RAID校验和容量等因素对固态硬盘控制器的限制。

---【本文完】---