分區(qū)存儲(chǔ)助力QLC應(yīng)用到嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備

背景

目前應(yīng)用在移動(dòng)終端的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備（這里主要指UFS/eMMC等，以下統(tǒng)稱“嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備”）中主流介質(zhì)還是TLC。但更高存儲(chǔ)密度的QLC也已經(jīng)產(chǎn)品化，比如一些數(shù)據(jù)中心（讀密集型應(yīng)用）已經(jīng)在部署QLC存儲(chǔ)設(shè)備。QLC可以給存儲(chǔ)設(shè)備帶來更低的成本，作為消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備，未來引入QLC也是勢(shì)在必行。

但和當(dāng)前主流TLC相比，QLC在性能和壽命上都相差很大，從下面某原廠TLC和QLC在性能和壽命方面的一個(gè)對(duì)比可見一斑。

（Table 1:某原廠TLC和QLC性能和壽命對(duì)比）

因此，QLC要應(yīng)用在嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備上，首先需要解決性能差和壽命短兩大問題。

雖然QLC還不到TLC的1/4寫入性能，但目前消費(fèi)級(jí)固態(tài)存儲(chǔ)產(chǎn)品都有成熟的SLC cache機(jī)制，能保證用戶有比較好的突發(fā)寫入性能（寫SLC的性能）。由于嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備有比較充裕的空閑時(shí)間，存儲(chǔ)設(shè)備可以利用空閑時(shí)間把數(shù)據(jù)從SLC搬到QLC，只要不是重度寫入場(chǎng)景，這部分QLC寫入性能，用戶一般感知不到。

但數(shù)據(jù)一旦寫到QLC，對(duì)比TLC，用戶讀取性能變差。針對(duì)這個(gè)讀取性能差的問題，有一種方案是把熱數(shù)據(jù)（經(jīng)常讀?。懟豐LC，但這樣無疑增加了設(shè)備復(fù)雜性，而且數(shù)據(jù)搬移帶來了額外的寫放大，這讓壽命本來就不長(zhǎng)的QLC“雪上加霜”。

如果說性能問題可以通過SLC解決或者緩解，那對(duì)于QLC壽命問題，在分區(qū)存儲(chǔ)引入之前，可能的解決方案有：用戶端使用類F2FS文件系統(tǒng)和使用數(shù)據(jù)分流。

F2FS文件系統(tǒng)化隨機(jī)寫為順序?qū)?，這會(huì)減少存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部垃圾回收導(dǎo)致的寫放大，但F2FS文件系統(tǒng)本身的垃圾回收，會(huì)給存儲(chǔ)設(shè)備帶來額外的寫。綜合下來，F(xiàn)2FS文件系統(tǒng)給設(shè)備帶來的寫放大不一定減少。

數(shù)據(jù)分流需要主機(jī)和設(shè)備配合：主機(jī)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行冷熱甄別，設(shè)備端根據(jù)數(shù)據(jù)的冷熱程度把它們存儲(chǔ)在不同的閃存塊上。數(shù)據(jù)分流能一定程度上減少存儲(chǔ)設(shè)備寫放大，但具體能帶來多大收益，這取決于用戶冷熱數(shù)據(jù)的比例，因此有一定的局限性。

今天要介紹減小寫放大的終極大招——分區(qū)存儲(chǔ)（Zoned Storage），它能消除QLC和TLC壽命之間的差異，而且能提升存儲(chǔ)設(shè)備性能，讓QLC應(yīng)用到嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備上變得可能。

什么是分區(qū)存儲(chǔ)？

分區(qū)存儲(chǔ)概念最早來源于SMR HDD。SMR是“Shingled Magnetic Recording”（疊瓦式磁記錄）的首字母縮寫，是一種用于增加容量并降低硬盤每TB成本的重要技術(shù)。SMR硬盤把硬盤分成一個(gè)個(gè)的分區(qū)（Zone），每個(gè)分區(qū)內(nèi)部必須順序?qū)懀駝t會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)覆蓋從而導(dǎo)致之前寫入的數(shù)據(jù)丟失問題。

（Figure 1:SMR HDD）

分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備的邏輯空間被劃分成一個(gè)個(gè)連續(xù)的分區(qū)，分區(qū)內(nèi)部只能被順序?qū)懭?。每個(gè)分區(qū)都有一個(gè)寫指針，用于跟蹤下一次寫入的位置。分區(qū)中的數(shù)據(jù)不能被覆蓋，必須首先使用特殊命令（區(qū)域重置）擦除數(shù)據(jù)。

（Figure 2:分區(qū)存儲(chǔ)概念）

除了HDD，基于閃存的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備，也是非常喜歡順序?qū)懭氲模驗(yàn)轫樞驅(qū)懶阅芎?，而且?dǎo)致的寫放大也小?！白屩鳈C(jī)端順序?qū)懭搿币恢笔枪虘B(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的夢(mèng)想，在SMR HDD助力下，分區(qū)存儲(chǔ)生態(tài)日趨完善，NVMe也制定了ZNS（Zoned Namespace）標(biāo)準(zhǔn)，SSD也算是“圓夢(mèng)”了。

分區(qū)存儲(chǔ)帶來的好處

分區(qū)存儲(chǔ)帶來的一大好處就是能消除存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部的垃圾回收。存儲(chǔ)設(shè)備垃圾回收會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)主要問題：一是引入寫放大，導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備壽命減少；二是垃圾回收的同時(shí)如果伴有主機(jī)讀寫，垃圾回收操作則會(huì)影響主機(jī)讀寫性能。

（Figure 3:垃圾回收示例）

垃圾回收原理：為騰出空閑閃存塊，需要把有效數(shù)據(jù)A、B、C從源閃存數(shù)據(jù)塊搬到新的閃存塊，內(nèi)部數(shù)據(jù)的搬移引入寫放大。寫放大 = 寫入閃存的數(shù)據(jù)量/主機(jī)寫入的數(shù)據(jù)量，寫放大越大，對(duì)閃存磨損越厲害。

分區(qū)存儲(chǔ)怎么就能消除存儲(chǔ)設(shè)備垃圾回收的呢？

如果分區(qū)大小是存儲(chǔ)設(shè)備閃存塊大小的整數(shù)倍，這樣一個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)會(huì)被寫到閃存設(shè)備的整數(shù)個(gè)閃存塊內(nèi)。由于分區(qū)不允許覆蓋寫，一個(gè)分區(qū)數(shù)據(jù)只能被整體無效掉，也就是意味著該分區(qū)對(duì)應(yīng)的閃存塊也是整體被無效掉（上面沒有任何有效數(shù)據(jù)），因此存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部回收閃存塊無需垃圾回收——只需要一個(gè)擦除動(dòng)作。

傳統(tǒng)垃圾回收由于需要搬移閃存塊上的有效數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致寫放大。還有，為減小寫放大和加速垃圾回收，存儲(chǔ)設(shè)備都會(huì)預(yù)留一些閃存空間（也就是我們常說的OP），以減少閃存塊上有效數(shù)據(jù)數(shù)量?，F(xiàn)在分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備中由于不存在垃圾回收，因此沒有寫放大，同時(shí)這部分OP也可以省掉了（節(jié)省成本）。

（Figure 4:傳統(tǒng)SSD數(shù)據(jù)存放和分區(qū)SSD數(shù)據(jù)存放比較）

分區(qū)存儲(chǔ)帶來的另一大好處就是大大減少了映射表大小，從而提升系統(tǒng)性能，減少存儲(chǔ)設(shè)備成本。

基于閃存的傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備一般按4KB邏輯塊大小為映射粒度，其L2P映射表（邏輯地址到物理地址的映射）大小一般為存儲(chǔ)設(shè)備容量的1/1024，比如一個(gè)512GB的UFS設(shè)備，其L2P映射表大小為512MB。企業(yè)級(jí)SSD一般都配有相應(yīng)大小的DRAM來存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)的L2P映射表，比如512GB的企業(yè)級(jí)SSD需要搭載至少512MB的DRAM；而業(yè)界消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備則是出于成本考慮，一般都沒有DRAM，它利用控制器小的SRAM緩存部分L2P映射表，而絕大多數(shù)L2P映射表都是存在閃存，固件按需從閃存加載映射關(guān)系數(shù)據(jù)到控制器SRAM。這種DRAM-less的存儲(chǔ)設(shè)備，與帶DRAM的存儲(chǔ)設(shè)備相比，少了DRAM的成本，但性能無疑會(huì)大打折扣，因?yàn)榭刂破鱏RAM大小有限，對(duì)隨機(jī)讀取場(chǎng)景來說，映射表緩存命中率很低，固件很多時(shí)候需要先從閃存加載映射關(guān)系，然后再根據(jù)獲得的物理地址去讀用戶數(shù)據(jù)，也就是說讀取一筆數(shù)據(jù)需要訪問幾次閃存，意味著讀取性能肯定比只訪問一次閃存要慢得多。

問題的根因是傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備映射粒度太細(xì)了，導(dǎo)致映射表巨大。而分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備，我們可以按照分區(qū)大小為映射粒度。假設(shè)分區(qū)大小為128MB，一個(gè)512GB的設(shè)備有4096個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)的物理地址用4字節(jié)表示，那么整個(gè)L2P映射表只有16KB！這么小的映射表完全可以存儲(chǔ)在控制器SRAM中，因此在企業(yè)級(jí)SSD中可節(jié)省DRAM的使用；對(duì)消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ)產(chǎn)品來說，L2P映射表可以常駐內(nèi)存，無需從閃存中獲取映射關(guān)系，讀取一筆數(shù)據(jù)只需訪問一次閃存，這大大加速了隨機(jī)讀取性能。

（Table 2:傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備和分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備映射對(duì)比）

分區(qū)存儲(chǔ)助力QLC嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備

回到QLC應(yīng)用到嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備的話題。

在傳統(tǒng)嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備中，垃圾回收一般會(huì)引入3-4的寫放大，即一個(gè)3000次擦寫次數(shù)的TLC閃存，真正給到用戶的擦寫次數(shù)可能不到1000次。而分區(qū)存儲(chǔ)的使用，由于不存在垃圾回收，因此寫放大可以做到接近1，也就是一個(gè)1500次擦寫次數(shù)的QLC，給到用戶就是實(shí)打?qū)嵉?500次。這意味著：傳統(tǒng)用3000次擦寫次數(shù)TLC的存儲(chǔ)設(shè)備，假設(shè)TBW為100TB，現(xiàn)在如果用QLC，雖然QLC的擦寫次數(shù)只有TLC的一半，但由于分區(qū)存儲(chǔ)的使用，TBW反而能提升到150TB。

對(duì)分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備，由于L2P映射表很小，完全能夠存放在控制器SRAM，因此可快速更新和獲取映射關(guān)系，從而大幅提升系統(tǒng)讀寫性能。傳統(tǒng)基于TLC的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備，在隨機(jī)讀取一筆數(shù)據(jù)(4KB)的時(shí)候，由于L2P映射緩存很小（幾百KB），固件大概率要先從閃存上加載L2P映射關(guān)系，這個(gè)時(shí)間大概40us左右，然后再花60us左右的時(shí)間從閃存加載用戶數(shù)據(jù)——隨機(jī)讀取一筆數(shù)據(jù)的時(shí)間大概需要花100us左右；而現(xiàn)在基于分區(qū)存儲(chǔ)的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備，由于省掉了加載映射關(guān)系的時(shí)間，雖然讀取閃存的時(shí)間QLC要比TLC長(zhǎng)，但總的時(shí)間下來，兩者是相當(dāng)?shù)摹?/p>

由于分區(qū)存儲(chǔ)設(shè)備的使用，再加上成熟的SLC緩存機(jī)制，這兩大特性彌補(bǔ)了QLC壽命短和性能差兩大短板，讓QLC應(yīng)用到嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備上變得可行?，F(xiàn)在典型的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備為UFS設(shè)備，如果引入了分區(qū)存儲(chǔ)，像UFS中的HPB、FBO等特性完全可以拋棄，這也無疑簡(jiǎn)化了UFS設(shè)備的設(shè)計(jì)。

嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備技術(shù)展望

前端接口協(xié)議方面，應(yīng)用于安卓平臺(tái)上的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備當(dāng)前主流是UFS設(shè)備，相信未來很長(zhǎng)一段時(shí)間也會(huì)沿著UFS路線繼續(xù)向前。UFS4.0協(xié)議今年8月份發(fā)布，三星早前也發(fā)布了UFS4.0存儲(chǔ)設(shè)備。

（Figure 5:嵌入式存儲(chǔ)協(xié)議發(fā)展路線）

存儲(chǔ)介質(zhì)方面，作為消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)成本敏感，隨著QLC閃存的成熟，QLC必然會(huì)應(yīng)用到未來的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備上，無論是廠商還是消費(fèi)者，都要做好這個(gè)心理準(zhǔn)備。事實(shí)上，今年（2022年）年初鎧俠已經(jīng)發(fā)布了基于QLC的UFS3.1產(chǎn)品。

QLC應(yīng)用到嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備上，要讓消費(fèi)者用得放心，這需要相關(guān)的技術(shù)來解決QLC介質(zhì)可靠性差、壽命短、性能差等問題。因此在技術(shù)趨勢(shì)方面，一方面是嵌入式存儲(chǔ)控制器糾錯(cuò)能力需要變得越來越強(qiáng)；另一方面，像數(shù)據(jù)分流、分區(qū)存儲(chǔ)這些能減小寫放大的技術(shù)也會(huì)被引入，來彌補(bǔ)QLC壽命短這塊短板。

目前，江波龍具有基于主流3D TLC閃存的豐富的嵌入式存儲(chǔ)產(chǎn)品，從eMMC到高性能UFS3.1，從消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ)到車規(guī)級(jí)存儲(chǔ)，產(chǎn)品矩陣全面。同時(shí)，公司也在思考怎么把存儲(chǔ)密度更高的QLC應(yīng)用到嵌入式存儲(chǔ)產(chǎn)品上，并開展相關(guān)技術(shù)預(yù)研工作。未來，江波龍會(huì)持續(xù)給客戶帶來更多超越期望的嵌入式存儲(chǔ)產(chǎn)品。

文章來源：江波龍電子

審核編輯 黃宇