炙手可热的ZNS SSD将会为数据中心带来什么？

在讲述ZNS(Zoned Namespace) SSD之前，小编其实更想再展开说说ZNS SSD出现的背景和前世故事。

1.ZNS SSD前世故事

大数据时代迎来数据指数级的增长，未来5年内我们创造的数据，将超过以往总数据量的2倍。IDC预测，在2025年，全球数据总量将达到163ZB，存储容量超过19ZB，其中60-70%容量还是由HDD机械硬盘来承担。

在这个大背景下，硬盘厂商WD和Seagate研发了SMR(Shingled Magnetic Recording，叠瓦式磁盘)技术，在介质上采用了特殊的记录方式，以达到提升容量的效果。

简而言之，SMR磁盘在磁道层叠方面，采用类似屋顶瓦片一层层的叠加，以增加磁道数和存储密度(如上图)。由于写入需要的磁场强度高于读取所需要的磁场强度，写磁头的宽度大于读磁头的宽度，因此写磁头的宽度决定着每英寸磁盘的磁道数。多个相邻层叠的磁道合成一个zone，在这里我们就第一次有了zone的概念。一个zone的区域内存储空间只允许顺序读写，不允许随机读写。

所以，这也决定了用于zone配置的SMR HDD需要软件配合完成只有顺序读写的场景。

随着zone概念在SMR的成熟应用，WD凭借此次的技术亮点，又亲手把zone的概念推进了nvme spec规范，用于推广ZNS(zoned namespaces)ssd. 

ZNS在nvme spec规范1.4a版本开始成型，也联合了多家互联网厂商和硬盘厂商一起推广。终于在nvme spec规范2.0正式成为行业标准。

2.ZNS SSD的急速发展

ZNS SSD能够迅速成为行业标准，也是有一定的历史必然。数据中心的workload非常的复杂，多种的应用需求，要满足不同的场景，又要极高的性价比。

对于传统的SSD来说，本身满足多种需求就是一件很不容易的事情。因为基于NAND介质的SSD，在读写过程中，还需要涉及到复杂的FTL算法管理、Wear-Leveling磨损均衡、Garbage Collection垃圾回收、Bad Block Management坏块管理、Media介质异常处理等等，同时还要与数十个NAND die进行并发通道读写请求。而这一切，对于host而言，SSD就是一个黑匣子，完全无法控制也无法清晰了解SSD内部FW在做什么。

在ZNS SSD形成气候之前，为了解决SSD黑匣子的问题，业内此前一直在推广Open Channel SSD，简称OC SSD。

OC SSD最大的特点就是Host拿到了SSD的FTL控制权，可以结合业务场景和文件系统，选择合适的时间执行QoS优化，以达到最优的性能。

同时，访问实行IO隔离，根据不同的业务场景，适配不同的管理算法，配合特定的物理存储空间，实现IO互不干扰。

由于OC SSD需要大量的host软件驱动的开发工作，普及难度较大，导致OC生态一直未完全建立，仅有两个大厂付诸了行动，一个北美微软，一个中国阿里。

OC SSD生态的建设缓慢，也给了ZNS蓬勃发展的契机。ZNS也算是在OC基础上衍生出来的一个标准协议，目的也是适配不同的业务场景，以最大的性价比完成性能/寿命/成本等多个因素的统一。

ZNS SSD的原理是把namespace空间划分多个zone空间，zone空间内部执行顺序读写。这样做的优势：

• 降低SSD内部的写放大，提升SSD的寿命

• 降低OP空间，host可以获得更大的使用空间

• 降低SSD内部DRAM的容量，降低整体的SSD成本

• 降低SSD读写延迟

• ZNS写入了标准NVME协议，更易于打造软件生态，利于普及

与SMR架构类似，ZNS SSD的zone空间内部，也是只允许顺序读写，不允许随机读写。每次顺序写完成后，有一个标记位“Write Pointer”来记录已经写过数据所在的LBA位置。

Zone的状态有以下几个：

• Full：zone写满的状态

• Empty：zone数据空的状态

• Explicitly Opened：对zone执行open zone命令成功后的状态

• Implicitly Opened：对处于Empty或者Closed状态的zone完成写数据后的状态

• Closed：还未写满的zone，在close zone命令成功后的状态

• Read Only：处于只读状态的zone

• Offline：zone处于异常状态，可能是介质异常或者其他的问题

在Linux内核适配方面，针对zoned设备，之前针对SMR已经有ZAC/ZBC命令规范，并在4.10内核已经支持。针对ZNS SSD，在内核5.10以后也支持了ZNS SSD，软件生态已经基本完善。

ZNS SSD凭借独有优势，在部分场景的优化性能对比，随机读比普通SSD高2.5倍，在随机混合读写比普通SSD高18倍。

ZNS SSD目前已经成为炙手可热的明星，各大硬盘厂商和控制器厂商都在全力争夺这个大蛋糕，由于ZNS SSD的使用场景和成本优势，基于QLC NAND的ZNS SSD将是最大的赢家。