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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：

特征

子驱动器 (Sub-Drives)

Zoned Namespaces (ZNS)

主要目的

内部磨损均衡和管理，可能优化 L2P 表大小

将存储空间划分为可管理的区域，优化性能和寿命，降低固态硬盘内部管理的复杂性

主机可见性

通常对主机透明，主机像使用普通块设备一样操作

对主机可见，需要主机操作系统和应用程序的显式支持

写入模式

主机可以随机写入，固态硬盘内部进行管理

要求主机在每个 Zone 内进行顺序写入

空间回收

由固态硬盘控制器内部的垃圾回收机制处理

需要主机显式地重置写满的 Zone

数据管理职责

主要由固态硬盘控制器负责

部分数据管理（例如，空间回收策略）转移到主机端

标准化

通常是厂商特定的内部实现

是一个行业标准接口，旨在实现更好的主机和存储设备之间的协作

适用场景

主要用于优化大容量固态硬盘的内部管理

适用于对写入模式有特定要求的应用场景，例如数据库、日志记录等，通过主机优化数据放置来提高性能和寿命

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

Notice：Human's prompt, Datasets by Gemini-2.0-flash-thinking

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。原始发表：2025-04-18，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除主机samsung管理性能优化

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