Samsung：揭秘SSD单盘扩容的 IU 方案

全文概览

NAND闪存技术的物理限制以及DRAM成本的考量，使得SSD架构设计面临严峻挑战。如何在有限的DRAM资源下，实现更大容量、更高性能和更长寿命的SSD，成为业界关注的焦点。

本文深入探讨了在存储开发者大会（SDC24）上，Samsung高级工程师提出的三种优化SSD容量的创新方案。这些方案聚焦于提升间接单元（IU）容量，旨在突破传统SSD架构的瓶颈，满足企业级客户对低成本、高耐久性、高性能和低延迟的迫切需求。通过解析增加L2P表位数、引入子驱动器技术以及增大IU页大小等策略，本文旨在为读者呈现SSD技术演进的前沿趋势，并引发对未来存储架构的深入思考。理解这些技术方案，不仅有助于把握SSD的核心技术脉络，更能为相关领域的从业者提供宝贵的参考和启示，共同迎接数据存储新时代的挑战与机遇。

阅读收获

• 掌握SSD容量扩展的三大核心技术方案及其优缺点。
• 深入理解DRAM在SSD架构中的关键作用及成本考量。
• 洞悉未来SSD技术发展趋势，特别是IU大小演进方向。

优化 IU 容量的三种方案

图注：增加L2P位数来扩容SSD物理容量

图片探讨了增加 L2P 表中每个条目所占位数的影响。

增加位数可以直接扩大固态硬盘可以支持的最大容量。例如，从 32 位增加到 33 位（32TiB）或 34 位（64TiB）可以将容量上限提升到 TB 级别。然而，这也带来了挑战：L2P 表会消耗更多的 DRAM 空间，并且在读取跨越 32 位边界的 L2P 条目时可能会引入额外的复杂性和延迟。

图片还讨论了通过读取两个 32 位字或者采用 40 位条目作为折衷方案，以平衡容量、成本和性能。最后的总结强调了增加 L2P 条目位数可能带来的成本增加、性能影响（包括延迟和潜在的 DRAM 拥塞）以及固件和硬件设计的复杂性。

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图片底部有一个 总结 框：

• 成本和性能 - 在固件和 DDR 控制器中存在连接挑战。
• 成本 - DRAM 大小增加。
• 延迟 - 额外的 DRAM 读取。
• 性能 - 潜在的 DRAM 拥塞。

图注：“子驱动器” 磨损均衡技术

图片介绍了一种使用“子驱动器”进行磨损均衡的技术。

这种方法将固态硬盘的存储空间划分为多个较小的逻辑单元（子驱动器），并基于逻辑块地址（LBA）将数据分布到这些子驱动器中。每个子驱动器拥有自己的小型逻辑到物理（L2P）映射表。这种方法的优点是每个子驱动器内部的磨损均衡相对容易实现，并且可以节省 L2P 表的条目大小（图中右侧示意：4 个子驱动器，节省了2 位）。然而，子驱动器之间的磨损均衡则更具挑战性，并且可能需要创新的方法。此外，这种架构可能缺乏全局的磨损均衡，并可能因为数据局部化在某些子驱动器中而导致性能下降。可扩展性方面，对整个 NAND 芯片做出全局决策可能会变得复杂或缓慢。

尽管如此，对于大容量的固态硬盘，将存储空间划分为子驱动器并在其内部进行磨损管理，可以提供一种管理驱动器寿命的方法。

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图片右下角有一个 总结 框：

• 耐久性 (Endurance) - 缺乏全局磨损均衡
• 性能 (Performance) - 存在失去跨子驱动器并行性的风险
• 可扩展性 (Extensibility) - 全局 NAND 决策可能很复杂或缓慢

比较理解：ZNS 分区存储与子驱动器方案

两者都涉及到将固态硬盘的存储空间划分为更小的逻辑管理单元，以优化性能和寿命。然而，它们在实现方式、目的以及对主机系统的影响方面存在显著的区别。

子驱动器 (Sub-Drives) 的概念：

正如上一张图片所描述的，子驱动器是一种内部的固态硬盘管理策略。其核心思想是将物理存储空间划分为多个逻辑上的子单元，每个子单元可以独立地进行磨损均衡和地址映射（拥有一个微型的 L2P 表）。这种方法的主要目的是在单个驱动器内部更精细地管理磨损，尤其是在大容量固态硬盘中，避免某些区域过度使用。子驱动器的存在和管理通常对主机系统是透明的，固态硬盘控制器在内部处理数据的分配和映射。

Zoned Namespaces (ZNS) 的实现：

ZNS 是一种标准化的接口，它将固态硬盘的存储空间划分为多个独立的区域（Zones）。与传统的固态硬盘不同，ZNS 驱动器要求主机系统显式地管理这些区域的写入操作。关键特性包括：

• 顺序写入： 在一个 Zone 内部，数据必须按照顺序写入，类似于顺序写入日志文件。
• 区域重置： 一旦一个 Zone 写满，主机需要显式地“重置”该区域才能再次写入新的数据。这个重置操作类似于回收空间。
• 主机管理： ZNS 将一部分数据管理职责（例如，垃圾回收的策略）转移到了主机端。主机需要了解 ZNS 驱动器的区域结构，并根据应用的需求进行数据放置和管理。

子驱动器和 ZNS 的区别：

总结：

虽然子驱动器和 ZNS 都涉及将固态硬盘的存储空间划分为更小的单元进行管理，但它们的概念和实现有着本质的区别。子驱动器是固态硬盘内部的优化策略，对主机透明；而 ZNS 是一种主机可见的接口标准，它改变了主机与存储设备之间的交互方式，将一部分管理职责转移到了主机端，并对写入模式提出了要求。

因此，可以说子驱动器的概念在一定程度上与 ZNS 的分区思想有相似之处，都是为了更好地管理存储空间。但 ZNS 更加强调主机参与的数据管理和特定的写入模式，旨在实现更高效的存储利用和更长的设备寿命，尤其是在特定的工作负载下。

图注：增加 IU 页大小

图片探讨了增加间接单元（IU）大小到 8KiB 的影响。

一个主要的优点是，更大的 IU 可以减少 L2P 表所需的 DRAM 容量，因为每个 IU 可以映射更多的逻辑块。此外，分组顺序 LBA 是一种行业标准方法，类似于处理模拟的 512B LBA。然而，一个主要的缺点是，如果写入操作没有与 8KiB 的 IU 对齐，或者写入的数据量小于 8KiB，那么就会触发读-修改-写（RMW）操作，这会影响性能，尤其是在处理小的 I/O 请求时。总结部分还提到了增加 IU 大小对性能、耐久性、成本和兼容性的影响。总的来说，增加 IU 大小是一种在 DRAM 成本和潜在性能损失之间进行权衡的策略。

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图片底部有一个 总结 框：

• 性能和耐久性 - RMW 影响小的 I/O 操作。
• 成本 - DRAM 成本改善。
• 兼容性 - 兼容旧有系统。

图注：混合解决方案

图片表明，之前讨论的三种技术（增加L2P表位数、子驱动器、增加 IU 大小）可以组合使用，以达到更好的效果。

特别提到了将磨损均衡子驱动器与更大的 IU 相结合可能是一种合理的方法。这种混合策略旨在结合各种方法的优点，例如通过较大的子驱动器来提升耐久性和介质管理效率，同时根据需要调整 IU 大小，以尽量减小读-修改-写（RMW）操作对性能的影响。

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• 所有三种方法可以以任意组合一起使用。
  • 磨损均衡 (WL) 子驱动器和更大的 IU 是最合理的讨论。
• 提供了一系列优点和缺点。示例：
  • 尽可能保持 WL 子驱动器较大，以实现最大的耐久性和介质管理。
  • 仅在需要时增加 IU，以最大限度地减少 RMW 性能影响。

图片总结了关于 IU 大小的讨论。指出，随着 SSD 容量的不断增长，IU 的大小也在持续增加，以满足企业客户对低成本、高耐久性、高性能和低延迟的需求。

然而，由于各种因素，例如行业标准的制定面临挑战，“高级格式”组织在就未来的统一 IU 大小达成共识方面存在困难。最终的结论是，可以预见 IU 的大小在未来仍将继续增加。这与之前讨论的通过增加 IU 大小来降低 DRAM 成本和提高效率的思路是一致的。

延伸思考

这次分享的内容就到这里了，或许以下几个问题，能够启发你更多的思考，欢迎留言，说说你的想法~

• 在实际应用中，企业应如何权衡选择这三种SSD容量优化方案？
• 混合解决方案是否是未来SSD架构的最佳方向？还存在哪些潜在的挑战？
• 随着NAND技术的不断发展，未来SSD架构还会出现哪些颠覆性创新？

原文标题：SSD Architecture Challenges with DRAM

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