浪潮智能全闪存存储G2-F实现SSD固态硬盘写放大<1

北京2018年1月25日电 /美通社/ -- SSD固态硬盘的容量和密度在不断增加，以速度赢得人心的同时，擦写寿命限制却成为其短板，而写放大是缩短SSD擦写寿命的主要原因。如何破解写放大难题，成为全闪存系统厂商的最大挑战。浪潮智能全闪存存储产品G2-F依托自主研发的创新技术，实现全流程写放大小于1，成为全闪存存储领域的专家。

SSD容量持续增长，写入寿命却不断降低

浪潮智能全闪存存储产品G2-F依托自主研发的创新技术，实现全流程写放大小于1，成为全闪存存储领域的专家。

SSD的容量增长速度惊人，在10TB的机械硬盘刚出来不久，一波闪存厂商就将SSD的容量做到了单盘30TB、60TB甚至100TB。SSD的单盘容量大有赶超机械盘的态势，这得益于NAND工艺制程的进步与单位面积存储密度的提升：NAND制程已经从最开始的90nm下降到当前的10nm，NAND工艺已经完成从2D NAND到3D NAND的完美切换，3D NAND的层数更是逐年增加：24层，32层，48层，64层，一直到96层。工艺的提升带来存储密度的大幅度提升。

在SSD容量密度增加的同时，伴随着单位容量成本的下降，这对用户来说无疑是喜事。但是SSD还有一个不容忽视的指标，那就是寿命。对于最新的3D TLC、3D QLC的大容量盘，其擦写寿命限制成为不容忽视的弱点。

在SSD盘容量增大的同时，写入寿命的问题非但没有得到有效解决，反而呈现下降趋势。早些年的企业级SLC、MLC盘的DWPD(Diskful Writes Per Day ，每日整盘写入次数)是10，而最新推出的3D TLC的SSD的DWPD为0.35。DWPD是确保SSD在生命周期内（3年或者5年）每天能够对盘进行全量写入次数的指标。DWPD为10是指着每天对SSD全量写入10遍，能保证SSD在5年之内不会发生磨损耗尽。而DWPD为0.35意味着，每天写入量不能超过盘容量的0.35，否则盘坚持不了5年就会因为介质磨损而发生故障。这样的弱点让用户无法不对应用全闪存存储系统心存疑虑。

全闪阵列厂商面临的关键挑战

当SSD的写入寿命随着存储密度提升而下降成为用户的心头之痛，如何能够提供可靠的全闪存存储，便成为全闪阵列厂商所面临的关键问题。

有人可能会说，继续使用DWPD为10的SSD不就可以了？答案是否定的：一方面DWPD为10的SSD成本非常高，相同容量是DWPD为1的SSD的数倍，另一方面高DWPD的SSD的产量在逐渐缩小，再过几年，DWPD为10的SSD甚至可能面临停产。下图是闪存领导厂商三星关于SSD DWPD的预测报告，从报告可以看出，2018DWPD为10的SSD占比已经小于5%。如果全闪阵列一定要使用DWPD为10的SSD，未来几年的选择会越来越少。

写放大这个词从事存储行业的应该都不陌生，在磁盘阵列上就存在。但为什么到了全闪阵列上，写放大就成了一个关键指标？一方面，磁盘是没有写入寿命问题的，所以在磁盘阵列上写放大只和性能相关，和可靠性关系不大；而在全闪存储上，由于闪存存在写入寿命限制问题，写的越多寿命就越低，所以写放大直接和全闪阵列的可靠性相关；另一方面，全闪阵列上的写放大，远不止RAID写放大一个因素，例如，随机写入带来的SSD上垃圾回收导致的数据迁移，也会给引入巨量的写放大。

面对这样的挑战，浪潮存储作为国内领先的数据存储厂商，早在5年前就大力投入全闪存存储系统的研发，并在两年前实现革命性突破，彻底解决了全闪存存储的写放大问题。2017年10月，浪潮发布智能全闪G2-F多款型号的闪存阵列，实现全流程写放大小于1，相对于传统磁盘阵列I/O栈，写放大降低15倍。

如此强大的黑科技是如何实现的呢？其背后的技术原理又是什么？

技术1：基于时间点的变长实时压缩

传统的数据压缩方法是基于固定块大小的，输入必须是固定大小的对齐数据块，输入不对齐时，需要补齐读，影响效率；压缩后输出的数据块大小不一致，需要补零填充对齐，浪费空间；对压缩后的数据进行少量更新时，必须对整个数据块进行“解压数据块-更新数据-压缩数据块”，效率低。

浪潮全闪存存储采用基于时间点的变长实时压缩技术，解决传统的固定块大小压缩的缺点，主要设计包括：

1. 小块变长输入：不限定输入数据块的大小，以用户下发的数据为单位进行压缩处理，用户数据的长度即是压缩输入的长度，不需要补齐读；
2. 大块定长输出：压缩处理后，在内存中聚合数据，达到一个固定块大小时，将数据整块写盘，保证输出数据块大小一致，不需要补零填充；
3. 追加写更新：更新压缩数据时，更新数据和新写入数据一样处理，仍然采用基于时间点的压缩，将新数据追加写入，旧数据后台回收。覆盖写时，仅压缩写入的小块数据，避免频繁“解压数据块-更新数据-压缩数据块”的过程，提高性能；
4. 时间点亲和性：用户同时写的数据，大概率会同时读，基于时间点的压缩将同一时间点写入的数据放到同一个数据块存放，cache预读命中率大幅提升；
5. 专用的硬件压缩卡加速：释放CPU资源，保障关键应用的响应时间；

通过以上优化，浪潮存储基于时间点的变长实时压缩技术，整体提供高达5倍压缩效率，减少数据的写入量，有效的减少了对SSD资源占用，提升全闪存储系统的使用寿命。

技术2：顺序写替代随机写 追加写替代覆盖写

RAID的写放大是由于随机写造成的，随机写入的时候，由于RAID不是满条带的，每一个小块的数据写入都需要更新校验数据，RAID6需要则更新两个校验数据，因此导致了更大倍数的写放大。但如果是顺序写入就不一样了，多个顺序I/O可以合并成一个满的条带写入，一个满条带进行一次校验数据P的更新，其写放大几乎可以忽略。

开启实时压缩时，G2-F对原有数据的修改写不会在原来的地址上进行覆盖写，而是将数据顺序地追加写入到后面的地址上，然后标记前面被覆盖写的数据为无效。由于没有覆盖写，所以SSD上的block上不会出现空洞。而通过持续的顺序追加写，浪潮的全闪存存储可以使SSD盘内部5倍的写放大降低到1，基本消除SSD内部的写放大。

技术3：全局主动垃圾回收

开启实时压缩时，浪潮全闪存存储向SSD的写入模式都是顺序追加写入，通过顺序追加写入消除RAID和SSD内部的写放大。但是持续的顺序追加写入必然会导致空间快速耗尽，要获得新的空间写入，就必须要对前面无效数据占用的空间进行整理。为解决这一问题，浪潮使用全局主动垃圾回收 (Garbage Collection) 技术来进行无效空间的整理。垃圾回收程序会在全闪阵列的所有SSD上进行扫描，找出系统中最空闲的block进行回收。如果空闲的block上没有有效的用户数据，则直接以block的粒度回收，若空闲block上仍然有有效用户数据，则垃圾回收程序会将这些有效数据进行迁移，待迁移完成后再回收。回收的时候，先使用trim命令通知SSD（如果不通知SSD直接进行写入，在SSD侧看到的将是一个覆盖写入，因此会导致写入空洞，带来写放大），这样做的目的就是为了避免SSD内部垃圾回收带来的写放大。

多项黑科技成就小于1倍的写放大

有了这些创新技术，浪潮智能全闪G2-F实现了写放大<1,也使得浪潮智能全闪G2-F具有更高的性能、稳定性、可靠性，闪存盘能够得到更好的保护，其平均使用寿命提高至5年以上。数据显示，浪潮智能全闪G2-F系统性能最大可达260万IOPS，并实现了6个9的企业级存储可靠性，是用户关键业务存储系统的合适选择。