Solidigm：云存储加速层（CSAL）如何通过FDP与PCIe Gen5技术释放QLC潜力？

全文概览

随着AI和大数据应用的爆发式增长，云存储系统面临性能与成本的双重挑战。传统QLC SSD虽具备高密度优势，却受限于写入放大效应（WAF）和耐用性问题。在此背景下，云存储加速层（CSAL） 应运而生——这一由Solidigm主导的开源技术，通过创新架构设计将超高速缓存（如Optane）、写入塑形层与QLC介质深度融合。

CSAL的独特价值在于：

1. 利用FDP（灵活数据放置）技术实现动态/静态数据流智能分离，使QLC的WAF从1.8降至1.0
2. 结合PCIe Gen5 SSD实现多FTL层扩展，平台利用率提升100%的同时降低25%总体成本
3. 已在阿里巴巴ECS等场景验证，支持多租户环境下稳定提供透明块服务 这项技术突破不仅解决了QLC商用化瓶颈，更预示着未来存储架构向"计算型存储"演进的重要方向。

阅读收获

1. 掌握QLC商用化关键技术通过CSAL+FDP组合拳，QLC SSD的WAF和耐用性指标达到企业级应用标准
2. 理解存储架构演进趋势Gen5 SSD支持多FTL层扩展，为计算型存储提供硬件基础
3. 获取成本优化新范式单实例PCIe插槽需求减少25%，单位存储成本降低30%

CSAL 概念及工作原理

图片介绍了云存储加速层（CSAL）的概念及其工作原理。

CSAL 是一个开源的云规模无共享闪存转换层，旨在提升性能、扩展QLC的价值，并为上层应用提供透明的块设备。它通过超高速缓存和写入塑形层来改善性能和耐用性，同时提供在多租户环境中的一致性能。图片还提到了Solidigm的几个SSD产品，如D7-P5810和D5-P5336。

其中 D7-P5810 作为CSAL 缓存层能提供更高性能的读写能力，而 D5-P5336 因其高密度、大容量成为持久化存储的选择。

Note

在Azure：从“OceanStor”到AI未来：对象存储如何助力AI应用的演进一文中，微软对象存储高级专家认为，低成本、可扩展的对象存储技术将成为支撑AI/HPC应用的重要基础，而提高对象存储访问带宽和时延是急需优化的问题，否则将限制上层应用的演进。从这里来看：CSAL 将成为QLC 大容量SSD在AI场景落地应用的重要架构设计！

CSAL 发展历程

• 在2022年，CSAL首次发布于SPDK 22.09版本，并且应用于阿里巴巴ECS D3C服务，用于计算密集型大数据本地磁盘实例。
• 到了2023年，在FMS会议上，CSAL的新发展包括成为SPDK参考存储平台RSP中的一个FTL，以及基于QLC和SLC的高密度设计。
• 而在2024年的EuroSys会议上，讨论了CSAL如何消除QLC采用的挑战，并提供了基于QLC的本地磁盘架构。

此外，在2024年的FMS会议上，CSAL又有新的进展，包括：

• FDP NVMe技术实现与PCIe Gen5缓存SSD的扩展；
• CSAL追加缓存；
• 在CXL上运行L2P的CSAL演示。

图片讨论了数据放置在 CSAL 中的重要性。没有对异质流进行排序会导致写入放大因子（WAF）增加，而通过将数据分别放置，可以减少数据的移动并降低 WAF。CSAL 已通过在 ZNS 驱动器上验证了这种方法的有效性，并且当使用灵活数据放置（FDP）驱动器时，也可以实现相同的效果。图表和表格展示了使用标准 SSD 和 ZNS SSD 之间在 WAF 上的差异，并详细列出了不同写入模式下的配置。

Cite

更多关于 FDP 技术原理和场景应用的文章，可参考：

• Samsung：FDP +CacheLib 改善写放大与时延
• FDP与SSD主控创新

图片展示了在 CSAL 中如何实现灵活数据放置（FDP）。尽管 CSAL 使用带来组织存储数据，但每个带在打开时都需要分配一个放置句柄。在数据写入时，CSAL 可以通过轮询方式利用回收组来进行写入分级，从而优化存储过程。图中的回收单元和回收组显示了如何管理这些数据区域，确保系统高效运行。

展示了 CSAL + FDP 的评估设置。主要包括使用 QEMU 模拟一个 FDP 驱动的环境，前提条件是首先填充所有分区并执行顺序写入。接着，展示了一个异质流工作负载的示例，包含 8 个作业，其中 4 个是 64k 顺序写入，代表动态流，另 4 个是 64k 随机读取，代表静态流。该设置帮助模拟和评估不同流的行为和性能。

图比较了 CSAL 在常规驱动器和 FDP 驱动器上的写入放大因子（WAF）。在常规驱动器上，分离动态流和静态流的尝试失败，导致 WAF 达到 1.8。而在使用 FDP 驱动器时，动态流和静态流的分离成功，WAF 被显著降低至 1.0。图片清楚地展示了通过适当的流分离，CSAL 可以显著提高性能并减少写入放大效应。

图片介绍了关于 PCIe Gen5 缓存 SSD 性能的评估。

评估的关键假设是：Gen5 SSD 是否能够支持两个闪存转换层（FTL），而不会影响性能，相比于 Gen4。在测试中，使用了 Solidigm 和 Intel Optane 的 SSD，工作负载包括 16 个作业，进行均匀的随机写入测试。测试在一台搭载 Intel Xeon Gold 6426Y 处理器的服务器上进行，操作系统为 Fedora 39。

多个 闪存转换层（FTL）的应用价值

支持多个 FTL（闪存转换层）的主要原因是提高存储设备的灵活性、性能和利用率。具体的价值包括：

1. 提高存储效率：
   • 支持多个 FTL 层可以实现不同类型的数据管理策略。例如，一个 FTL 可以专注于处理顺序写入，而另一个则专注于随机写入。这样可以针对不同的工作负载进行优化，从而提高存储设备的整体性能和效率。
2. 增强平台利用率：
   • 在传统的单一 FTL 层设计中，所有的数据请求和管理都通过同一个层次进行，这可能会导致某些类型的数据访问瓶颈。通过引入多个 FTL 层，可以更好地分配负载，并使得平台资源得到更充分的利用，尤其是在支持多种工作负载的环境中。
3. 优化写入放大（Write Amplification，WAF）：
   • 多个 FTL 层可以使得数据的放置和整理更具灵活性，通过对不同数据流（如顺序写入和随机写入）进行不同处理，来减少写入放大效应。有效的 FTL 分配可以降低闪存的磨损，并延长 SSD 的使用寿命。
4. 提高性能扩展性：
   • Gen5 SSD 提供更高的带宽和更大的处理能力，因此支持多个 FTL 层有助于最大化这一优势。相比于 Gen4，Gen5 SSD 可以处理更多的 FTL 层，这使得存储设备在性能需求较高的环境中能够更好地扩展。
5. 应对多租户或异质流的需求：
   • 在云存储和大规模数据中心环境中，多个租户或应用程序可能同时运行并产生不同类型的 I/O 请求。多个 FTL 层能够更好地管理这些异质流，确保每个流的性能要求得到满足，而不会相互干扰。

图展示了使用 Gen5 驱动器时，扩展 FTL（闪存转换层）数量对性能的影响。通过对比 Gen4 和 Gen5，Gen5 驱动器支持更多的分区（16 个，而 Gen4 只有 8 个），尽管在带宽上略有下降（Gen4 为 100 MiB/s，Gen5 为 90 MiB/s），但 Gen5 提升了平台的利用率并保持了相似的性能。

Note

Gen4：写带宽性能更好，大概率可归因于试用Optane 作为缓存层，比Gen5 对照组的 TLC 性能更好。

图对比了 Gen4 和 Gen5 缓存驱动器的影响。尽管 Gen4 提供更好的性能和更少的故障风险，但其成本较高且需要更多的 PCIe 插槽。相比之下，Gen5 在性能上稍微降低，但其成本较低并且减少了对 PCIe 插槽的需求。不过，使用 Gen5 可能会导致缓存的写入放大（WAF）增加，因此可以通过采用 RAID1 或使用灵活数据放置（FDP）等方式来减轻这些问题。

Gen5 和 Gen4 缓存驱动器影响

Note

原材料中给出了成本测算的条目，可在文末跳转查看材料。

结论：

• CSAL 在处理各种流/租户时展示了写入放大因子（WAF）的减少，特别是与 FDP 技术结合时。
• CSAL 现已支持灵活数据放置（FDP）。
• Gen5 SSD 可以与 CSAL 一起部署，从而减少总体拥有成本。

下一步：

• CSAL 将进一步增强 FDP 技术的应用（例如，完全租户隔离）并与 PCIe Gen5 带宽进行扩展。
• 使用基于 NAND 的 FDP SSD 进行评估。

延伸思考

本文到这就结束了，或许思考下面几个问题，能有更多收获！

1. FDP技术能否应用于HBM缓存管理场景？如何平衡数据局部性与访问延迟？
2. 在多租户云环境中，Gen5 SSD的FTL扩展是否存在安全隔离风险？
3. 当QLC密度突破200层时，CSAL架构需要哪些适应性改进？

原文标题： Cloud Storage Acceleration Layer FDP NVMe Technology Implementation and Scaling with PCIe Gen5 Cache SSD