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分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

發(fā)布時間:2023-02-14 來源:江波龍電子 責任編輯:lina

【導讀】目前應用在移動終端的嵌入式存儲設備(這里主要指UFS/eMMC等,以下統(tǒng)稱“嵌入式存儲設備”)中主流介質還是TLC。但更高存儲密度的QLC也已經產品化,比如一些數據中心(讀密集型應用)已經在部署QLC存儲設備。QLC可以給存儲設備帶來更低的成本,作為消費級產品的嵌入式存儲設備,未來引入QLC也是勢在必行。

 

背景


目前應用在移動終端的嵌入式存儲設備(這里主要指UFS/eMMC等,以下統(tǒng)稱“嵌入式存儲設備”)中主流介質還是TLC。但更高存儲密度的QLC也已經產品化,比如一些數據中心(讀密集型應用)已經在部署QLC存儲設備。QLC可以給存儲設備帶來更低的成本,作為消費級產品的嵌入式存儲設備,未來引入QLC也是勢在必行。


但和當前主流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對比可見一斑。


分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Table 1:某原廠TLC和QLC性能和壽命對比)


因此,QLC要應用在嵌入式存儲設備上,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,但目前消費級固態(tài)存儲產品都有成熟的SLC cache機制,能保證用戶有比較好的突發(fā)寫入性能(寫SLC的性能)。由于嵌入式存儲設備有比較充裕的空閑時間,存儲設備可以利用空閑時間把數據從SLC搬到QLC,只要不是重度寫入場景,這部分QLC寫入性能,用戶一般感知不到。


但數據一旦寫到QLC,對比TLC,用戶讀取性能變差。針對這個讀取性能差的問題,有一種方案是把熱數據(經常讀取)寫回SLC,但這樣無疑增加了設備復雜性,而且數據搬移帶來了額外的寫放大,這讓壽命本來就不長的QLC“雪上加霜”。


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


F2FS文件系統(tǒng)化隨機寫為順序寫,這會減少存儲設備內部垃圾回收導致的寫放大,但F2FS文件系統(tǒng)本身的垃圾回收,會給存儲設備帶來額外的寫。綜合下來,F2FS文件系統(tǒng)給設備帶來的寫放大不一定減少。


數據分流需要主機和設備配合:主機端對數據進行冷熱甄別,設備端根據數據的冷熱程度把它們存儲在不同的閃存塊上。數據分流能一定程度上減少存儲設備寫放大,但具體能帶來多大收益,這取決于用戶冷熱數據的比例,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(Zoned Storage),它能消除QLC和TLC壽命之間的差異,而且能提升存儲設備性能,讓QLC應用到嵌入式存儲設備上變得可能。


什么是分區(qū)存儲?


分區(qū)存儲概念最早來源于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。SMR硬盤把硬盤分成一個個的分區(qū)(Zone),每個分區(qū)內部必須順序寫,否則會發(fā)生數據覆蓋從而導致之前寫入的數據丟失問題。


分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Figure 1:SMR HDD)


分區(qū)存儲設備的邏輯空間被劃分成一個個連續(xù)的分區(qū),分區(qū)內部只能被順序寫入。每個分區(qū)都有一個寫指針,用于跟蹤下一次寫入的位置。分區(qū)中的數據不能被覆蓋,必須首先使用特殊命令(區(qū)域重置)擦除數據。


分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Figure 2:分區(qū)存儲概念)


除了HDD,基于閃存的固態(tài)存儲設備,也是非常喜歡順序寫入的,因為順序寫性能好,而且導致的寫放大也小?!白屩鳈C端順序寫入”一直是固態(tài)存儲設備的夢想,在SMR HDD助力下,分區(qū)存儲生態(tài)日趨完善,NVMe也制定了ZNS(Zoned Namespace)標準,SSD也算是“圓夢”了。


分區(qū)存儲帶來的好處


分區(qū)存儲帶來的一大好處就是能消除存儲設備內部的垃圾回收。存儲設備垃圾回收會導致兩個主要問題:一是引入寫放大,導致存儲設備壽命減少;二是垃圾回收的同時如果伴有主機讀寫,垃圾回收操作則會影響主機讀寫性能。

分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Figure 3:垃圾回收示例)


垃圾回收原理:為騰出空閑閃存塊,需要把有效數據A、B、C從源閃存數據塊搬到新的閃存塊,內部數據的搬移引入寫放大。寫放大 = 寫入閃存的數據量/主機寫入的數據量,寫放大越大,對閃存磨損越厲害。


分區(qū)存儲怎么就能消除存儲設備垃圾回收的呢?


如果分區(qū)大小是存儲設備閃存塊大小的整數倍,這樣一個分區(qū)的數據會被寫到閃存設備的整數個閃存塊內。由于分區(qū)不允許覆蓋寫,一個分區(qū)數據只能被整體無效掉,也就是意味著該分區(qū)對應的閃存塊也是整體被無效掉(上面沒有任何有效數據),因此存儲設備內部回收閃存塊無需垃圾回收——只需要一個擦除動作。


傳統(tǒng)垃圾回收由于需要搬移閃存塊上的有效數據,會導致寫放大。還有,為減小寫放大和加速垃圾回收,存儲設備都會預留一些閃存空間(也就是我們常說的OP),以減少閃存塊上有效數據數量?,F在分區(qū)存儲設備中由于不存在垃圾回收,因此沒有寫放大,同時這部分OP也可以省掉了(節(jié)省成本)。


分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Figure 4:傳統(tǒng)SSD數據存放和分區(qū)SSD數據存放比較)


分區(qū)存儲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,減少存儲設備成本。


基于閃存的傳統(tǒng)存儲設備一般按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)大小一般為存儲設備容量的1/1024,比如一個512GB的UFS設備,其L2P映射表大小為512MB。企業(yè)級SSD一般都配有相應大小的DRAM來存儲運行時的L2P映射表,比如512GB的企業(yè)級SSD需要搭載至少512MB的DRAM;而業(yè)界消費級存儲設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L2P映射表都是存在閃存,固件按需從閃存加載映射關系數據到控制器SRAM。這種DRAM-less的存儲設備,與帶DRAM的存儲設備相比,少了DRAM的成本,但性能無疑會大打折扣,因為控制器SRAM大小有限,對隨機讀取場景來說,映射表緩存命中率很低,固件很多時候需要先從閃存加載映射關系,然后再根據獲得的物理地址去讀用戶數據,也就是說讀取一筆數據需要訪問幾次閃存,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)存儲設備映射粒度太細了,導致映射表巨大。而分區(qū)存儲設備,我們可以按照分區(qū)大小為映射粒度。假設分區(qū)大小為128MB,一個512GB的設備有4096個分區(qū),每個分區(qū)對應的物理地址用4字節(jié)表示,那么整個L2P映射表只有16KB!這么小的映射表完全可以存儲在控制器SRAM中,因此在企業(yè)級SSD中可節(jié)省DRAM的使用;對消費級存儲產品來說,L2P映射表可以常駐內存,無需從閃存中獲取映射關系,讀取一筆數據只需訪問一次閃存,這大大加速了隨機讀取性能。


分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Table 2:傳統(tǒng)存儲設備和分區(qū)存儲設備映射對比)


分區(qū)存儲助力QLC嵌入式存儲設備


回到QLC應用到嵌入式存儲設備的話題。


在傳統(tǒng)嵌入式存儲設備中,垃圾回收一般會引入3-4的寫放大,即一個3000次擦寫次數的TLC閃存,真正給到用戶的擦寫次數可能不到1000次。而分區(qū)存儲的使用,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1500次擦寫次數的QLC,給到用戶就是實打實的1500次。這意味著:傳統(tǒng)用3000次擦寫次數TLC的存儲設備,假設TBW為100TB,現在如果用QLC,雖然QLC的擦寫次數只有TLC的一半,但由于分區(qū)存儲的使用,TBW反而能提升到150TB。


對分區(qū)存儲設備,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的嵌入式存儲設備,在隨機讀取一筆數據(4KB)的時候,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映射關系,這個時間大概40us左右,然后再花60us左右的時間從閃存加載用戶數據——隨機讀取一筆數據的時間大概需要花100us左右;而現在基于分區(qū)存儲的嵌入式存儲設備,由于省掉了加載映射關系的時間,雖然讀取閃存的時間QLC要比TLC長,但總的時間下來,兩者是相當的。


由于分區(qū)存儲設備的使用,再加上成熟的SLC緩存機制,這兩大特性彌補了QLC壽命短和性能差兩大短板,讓QLC應用到嵌入式存儲設備上變得可行。現在典型的嵌入式存儲設備為UFS設備,如果引入了分區(qū)存儲,像UFS中的HPB、FBO等特性完全可以拋棄,這也無疑簡化了UFS設備的設計。


嵌入式存儲設備技術展望

前端接口協(xié)議方面,應用于安卓平臺上的嵌入式存儲設備當前主流是UFS設備,相信未來很長一段時間也會沿著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存儲設備。

分區(qū)存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

(Figure 5:嵌入式存儲協(xié)議發(fā)展路線)


存儲介質方面,作為消費級產品,嵌入式存儲設備對成本敏感,隨著QLC閃存的成熟,QLC必然會應用到未來的嵌入式存儲設備上,無論是廠商還是消費者,都要做好這個心理準備。事實上,今年(2022年)年初鎧俠已經發(fā)布了基于QLC的UFS3.1產品。

QLC應用到嵌入式存儲設備上,要讓消費者用得放心,這需要相關的技術來解決QLC介質可靠性差、壽命短、性能差等問題。因此在技術趨勢方面,一方面是嵌入式存儲控制器糾錯能力需要變得越來越強;另一方面,像數據分流、分區(qū)存儲這些能減小寫放大的技術也會被引入,來彌補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產品,從eMMC到高性能UFS3.1,從消費級存儲到車規(guī)級存儲,產品矩陣全面。同時,公司也在思考怎么把存儲密度更高的QLC應用到嵌入式存儲產品上,并開展相關技術預研工作。未來,江波龍會持續(xù)給客戶帶來更多超越期望的嵌入式存儲產品。

(來源:江波龍電子)


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