Western Digital Zoned Storage: технология будущего SSD-накопителей

Компания Western Digital, один из крупнейших разработчиков и производителей HDD и SSD, делает все возможное, чтобы накопители нового поколения избавились от "проклятий" унаследованных технологий, став более производительными и удобными как с точки зрения разработчиков ПО и систем хранения данных, так и с точки зрения конечных пользователей.

С технологией накопителей с зонированием данных (Zoned Block Devices, ZBD) Western Digital экспериментирует достаточно давно: еще в 2019 году мы рассказывали о разработке файловой системы Zonefs, в которой каждая зона на накопителе отображается, как отдельная область. А летом этого года сама концепция зонирования официально стала частью стандарта NVMe.

Зонирование имеет ряд преимуществ перед классической реализацией накопителей. Во-первых, параметрами записи можно управлять централизовано, на уровне хост-процессора или даже приложения. Во-вторых, зоны могут иметь разные скоростные характеристики. И, наконец, в-третьих, зонирование уменьшает износ NAND-памяти и при правильной реализации гарантирует отсутствие провалов в скорости, что особенно важно для корпоративных систем хранения данных.

Изначально концепция блочного хранения данных была создана для механических жестких дисков, где ее логика отвечала физическим принципам работы накопителя. С появлением твердотельных накопителей технология была адаптирована и для них - так проще всего оказалось сохранить совместимость. Однако флеш-память работает совсем не так, как магнитная запись: помимо операций записи и чтения она требует еще и операции стирания блока.

Анкета загружается...

Напоминаем, стирание в памяти NAND не может происходить произвольным образом: зачищается весь блок, а если часть хранимых в нем данных все еще нужна, их необходимо перед стиранием перенести в другое место. Процесс расчистки места под стирание блоков NAND называется "сборкой мусора". Этот процесс загружает контроллер SSD и нередко приводит к тому, что постоянство скоростных характеристик не обеспечивается. Кроме того, лишние циклы стирания-перезаписи отнюдь не идут флеш-памяти на пользу, и она быстрее изнашивается.

В итоге классический SSD строится с достаточно серьезным запасом прочности: часть флеш-памяти в нем не используется напрямую, а применяется в качестве "подменного фонда" для замены выходящих из строя ячеек NAND. Объем этого фонда может достигать 20-30% от общего объема NAND, что, естественно, не способствует снижению стоимости. Солидную часть стоимости современных SSD также составляет DRAM, которая используется для хранения таблиц трансляции и позволяет накопителю более-менее поддерживать постоянство скоростных характеристик.

Переход к концепции зонирования позволяет решить обе вышеописанных проблемы: данные в таких накопителях записываются упорядоченно (в пределах зоны запись осуществляется только последовательно), порядок записи полностью прозрачен, и им можно управлять даже со стороны приложения, а значит, лишних стираний и перезаписей можно избежать. За счет этого можно сократить подменный фонд NAND-ячеек, а значит, и снизить удельную стоимость хранения данных. Таблицы трансляции также принимают более компактный вид и DRAM-буфер тоже можно сделать меньше.

Благодаря тому, что зонирование лучше соответствует самой технологии NAND, Western Digital удалось добиться впечатляющих результатов: SSD с поддержкой ZNS может обеспечивать коэффициент "усиления записи" (write amplification) на уровне 1x, поскольку ему не требуются лишние операции стирания и перезаписи блоков NAND. Поэтому гарантируется постоянная скорость записи во всем объеме SSD.

Серьезно улучшается и ситуация со временем отклика: если у обычных SSD оно сильно зависит от соотношения операций чтения к операциям записи, то у зонированного SSD этот параметр остается практически постоянным. А в целом латентность удается снизить на 57%. Итогом, венчающим проделанную Western Digital работу по внедрению концепции зонирования, стал новейший твердотельный накопитель Ultrastar DC ZN540.

Это первый в мире корпоративный SSD, в котором полностью реализованы все преимущества технологии зонирования. Он полностью отвечает спецификациям ZNS Command Set 1.0 и NVMe 1.3c. В накопителе применен новый высоконадежный двухпортовый контроллер с внешним интерфейсом PCI Express 3.1. Основой новинки является 96-слойная память 3D NAND TLC. Накопитель выполнен в форм-факторе U.2 и может иметь объем до 8 Тбайт.

Благодаря зонированию новинка идеально подходит для многопользовательских сценариев и сценариев с большими объемами потоковых данных. Компания говорит о четырехкратном превосходстве над традиционными SSD в скорости и о 2,5-кратном - в качестве обслуживания (QoS, постоянство скоростных характеристик и латентности). За счет более эффективного использования ресурсов NAND и DRAM новинка обеспечивает пониженную стоимость владения СХД и более низкую удельную стоимость хранения информации.

Western Digital опубликовала и результаты тестирования нового накопителя, сравнив его с сопоставимым по характеристикам обычным SSD. Как правило, SSD корпоративного типа проектируются с расчетом на постоянство производительности, но несовпадение принципов работы с данными на уровнях файловой системы и NAND приводят к закономерному результату: с номинальной скоростью удалось записать лишь около 1 Тбайт данных, после чего обычный SSD был вынужден заняться сборкой мусора, а скорость записи резко упала. Зонированный DC ZN540 с задачей справился, вообще не потеряв в скорости.

Аналогичным образом новинка проявила свои преимущества и при увеличении доли операций записи в нагрузке. У классического SSD время отклика выросло практически в два раза, в то время как у зонированной модели оно росло куда медленнее. Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что у зонированных SSD ситуация с предсказуемостью поведения обстоит куда лучше, нежели у классических моделей.

Поставки накопителей Western Digital DC ZN540 начались уже сейчас, правда, пока небольшими партиями. Можно с уверенностью сказать, что компания продолжит развивать данное направление. Особенно в свете роста популярности памяти QLC - внедрение зонирования позволит серьезно поднять надежность и производительность таких SSD, что сделает их более пригодными для использования в крупных СХД и облачных комплексах.

Но было бы ошибкой сказать, что зонирование актуально только для твердотельных накопителей. Конечно, в силу особенностей, свойственных NAND-памяти, оно лучше всего показывает себя именно в SSD, но польза есть и для традиционных жестких дисков.

Речь идет о моделях с "черепичной" записью (SMR), где сам принцип пересекающихся дорожек требует последовательной записи, а при стирании удаляется вся зона, а не только одна дорожка. Такие HDD позволяют достичь большой емкости при относительно малой цене - модель Ultrastar DC HC650, к примеру, имеет объем 20 Тбайт. Среди первых пользователей таких жестких дисков можно назвать очень популярное облачное файловое хранилище Dropbox.

Компания продолжает активно участвовать в разработке программного обеспечения, а официальным сайтом проекта по внедрению зонирования по-прежнему остается ZonedStorage.io, где можно найти документацию и множество другой информации о зонировании. В частности, доступны сведения о дистрибутивах Linux, уже поддерживающих ZBD.

Если вы хотите получить более подробную информацию о решениях Western Digital, заполните форму выше.