如何用多流寫技術提高SSD的性能和壽命

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今天學習FMS16的會議材料。有一個三星的多流寫技術，三星正在推薦成為國際標準，我覺得比較有意思，因此，今天就來聊聊這個東西。

首先，我們知道NAND閃存的一些和硬盤不同的特性：其有三種操作，讀，編程（其實就是寫）和擦除。硬盤支持覆蓋寫，因此不需要擦除。而閃存讀寫的單位都是page，但擦除的單位是block（即多個page)。由于不能覆蓋寫，因此有一個垃圾回收的額外動作，即把有用的page數據復制到別的地方，然后擦除這個block，才能重新寫數據。這就帶來額外的寫放大，而且垃圾回收的時候數據移動肯定要加鎖的，因此除了影響寫性能，其實讀性能也是受影響的。

但閃存和硬盤還有一個不同就是壽命的問題。也就是一個page編程的次數是有限的（其實硬盤也有壽命，只是相對閃存來說，大家都認為其生命周期內沒有這個問題）。根據三星的統計，不同的閃存的寫壽命都在下降，應該不是技術問題，而是為了追求更高密度而導致的結果。不過3D-NAND技術出來后，應該有所改善，因為3D的空間要大一些，相互干擾小一些。一般3D TLC NAND的壽命和2D NAND MLC的壽命差不多。

為此，三星提出了一個多流寫的技術，即應用把數據按照不同更新頻率分成多個數據流，而SSD寫的時候識別這些數據流，把相同特征的數據流寫在一起（連續的block）。

這種數據布局的好處就是垃圾回收的時候更加高效，因為數據流的特征不同，垃圾回收的頻度就不同，有些不常改動的數據占據的block就不用回收了。回收的block一般這個block數據都失效了，可以直接擦除，避免了數據的復制。

由于避免更多的page的數據復制，減少了寫放大，其實就相當于延長了系統的寫壽命。

三星拿開源的No-SQL數據庫Cassandra，打上多流寫的補丁前后進行測試對比，發現可以提高2倍的寫壽命，而且還有45%的性能提升，讀的時延也減少了50%。還是一個非常不錯的結果。

三星目前正在推動這個多流寫技術成為一個標準。目前在SCSI/SAS接口已經完成，而NVMe正在做最后審查。

我把標準下載下來看了一下，目前還是一個草案，還不是正式標準。

標準其實主要定義SCSI的initiator和target通信的格式。讓操作系統寫盤的時候通過SCSI命令把數據流的標識告訴SSD。如果是NVMe，由于by pass了SCSI層，因此需要增加NVMe的命令，因此是不同的標準。還有，標準化以后，需要操作系統支持，也需要各個應用程序支持。因為只有應用程序才最終清楚自己的數據特征，讓它來打標記是最好不過的了。

其實，AFA(all flash array)也可以利用這個思路。比如華為馬上要在上海HC大會上發布的OceanStor Dorado V3，據說采用了全局的FTL，采用冷熱數據分離的方式來提高垃圾回收的效率。

這個冷熱數據分離其實和多流寫思路是一樣的。不同的是三星提出的多流寫需要應用系統或者操作系統支持，而且只針對單個SSD的。而華為的這個冷熱分離，是存儲內部實現，是系統級別的。華為可以這么做，主要是采用了自研的HSSD盤，可以讓陣列的軟件和SSD的fireware協同起來。

但是，如果三星這個多流寫成為一個標準，那么華為的Dorado V3也必將從中受益。因為應用程序直接在寫的數據上打上標簽，發送到陣列上，陣列進行冷熱數據判斷就更加精確和容易，效率會更高。而且，有了這些數據流標簽，陣列的Cache調度算法也會更加高效，你會把最熱的數據盡量保存到Cache里，提高Cache的命中率。

閃存技術給整個存儲系統帶來很多設計上的變化，而數據的智能布局對閃存性能和壽命都有巨大的影響。未來的AFA系統會更加智能，更加應用感知。

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