Samsung：大IU落地的应用生态（LBS实践）

全文概览

在数据爆炸式增长的今天，固态硬盘（SSD）作为核心存储介质，其性能优化至关重要。本文深入探讨了SSD架构设计中面临的挑战，尤其是在逻辑块地址（LBA）与内部单元（IU）大小匹配问题上的权衡。从传统的512B扇区到如今QLC闪存和大IU的演进，SSD的性能瓶颈日益凸显。为了突破这些限制，三星等行业领导者正积极探索主机操作系统层面的优化方案，如大块大小（LBS）技术。

本文将带您抽丝剥茧，解析LBA、IU及LBS之间的复杂关系，揭示NVMe和OCP等标准在其中的作用，并展望LBS如何为主机软件生态系统带来“免费”的性能提升，最终实现QLC SSD在数据库等工作负载下的卓越表现。通过阅读本文，您将对SSD底层架构的优化策略有更深刻的理解，把握未来存储技术的发展趋势。

阅读收获

• 深入理解SSD逻辑地址与物理存储单元的映射关系，掌握LBA、IU等关键概念。
• 了解NVMe、OCP等行业标准在SSD性能优化中的作用。
• 掌握LBS大块尺寸技术原理及其在提升QLC SSD性能方面的优势。
• 洞悉主机操作系统层面优化对SSD性能提升的重要性及未来趋势。

Fig-14：LBA 逻辑块大小与 IU大小匹配的优与劣

Fig-14：LBA 逻辑块大小与 IU大小匹配的优与劣

图片探讨了将逻辑块地址（LBA）扇区格式与间接单元（IU）大小相匹配的优缺点。赞成匹配的观点包括可以减少系统开销，并可能带来 ECC 效率的潜在提升。反对匹配的观点则强调了目前仍然广泛存在的 512B 使用情况，以及支持不同 LBA 大小的挑战性。此外，匹配还可能需要新的保护信息标准，并可能导致小命令的性能下降。最后的结论建议应该考虑其他的选项。

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Fig-15：NVMe 与 OCP 标准在SSD中发挥的作用

Fig-15：NVMe 与 OCP 标准在SSD中发挥的作用

图片介绍了 NVMe® 和 OCP 规范在固态硬盘领域的作用。

• NVMe® 的最佳性能参数 (OPTPERF) 定义了 IU 大小，并关注了由于写入粒度不一致可能导致的读-修改-写（RMW）性能影响。
• OCP（开放计算项目）的数据中心 NVMe SSD 规范可以补充 NVMe®，解决一些它可能无法覆盖的问题，并允许添加物理定义。

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• NVMe® - 最佳性能参数 (OPTPERF)
  • 定义 IU 大小为 NPWG - 因为清晰的规范可以定义物理参数。
  • 说明了 512B LBA 在 4KiB IU 上的情况。
  • 强调了对 RMW 性能影响的担忧。
• OCP - 数据中心 NVMe SSD 规范
  • 可以添加物理定义。
  • 解决了 NVMe 无法解决的困惑。

Fig-16：在主机操作系统中启用大块大小 (LBS)

Fig-16：在主机操作系统中启用大块大小 (LBS)

图片讨论了在主机操作系统层面启用大块大小（LBS）以更好地支持 QLC 和使用大 IU 的 SSD 的工作。三星 GOST 正在 Linux 系统上进行这方面的研究，旨在评估相关的操作系统更改，量化软件影响和潜在收益，并推动这些更改在整个软件栈中的应用。

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• 三星 GOST 一直在 Linux 中主导一项大块大小 (LBS) 的工作。
  • 评估最有利于 QLC 和大间接单元 (IU) SSD 的操作系统更改。
  • 量化每个选项的软件影响以及主机和 SSD 的潜在收益。
  • 将这些更改传播到所有层。
• LBS 结论
  • 增加 LBA 扇区大小很困难。
  • 对原子掉电保护提出新要求是启用大 IU 的最佳解决方案。
    • AWUPF（Atomic Write Unit Power Fail） >= NPWG（Namespace Preferred Write Granularity） = IU
    • 以最大化优势实现最小的生态系统影响。
    • 没有后向兼容性问题。
  • 多原子模式可能对某些客户评估很有趣，但尚未帮助当前的软件更改。

为什么说增加 LBA 扇区大小是困难的？

• 广泛的软件生态系统依赖： LBA 扇区大小是一个非常基础的存储接口参数，它被操作系统、文件系统、应用程序甚至驱动程序等软件栈的各个层面所依赖。改变 LBA 扇区大小意味着需要对这些软件进行大量的修改和更新，这是一个庞大而复杂的工程。Fig 15 就明确指出，“扇区大小的改变与许多额外的系统紧密相关”，并以“内存页”为例。操作系统的内存管理、文件系统的块分配等都可能与存储设备的扇区大小相关联。
• 遗留兼容性问题： 存储行业有着长期的历史，很多现有的系统和应用仍然是基于传统的 512 字节 LBA 扇区大小设计的（即使物理上是 4KiB，但通过 512e 模拟）。直接增加 LBA 扇区大小会破坏与这些遗留系统的兼容性，导致用户升级或迁移困难。Fig15 提到了“多年的过渡期后，仍然存在大量的 512B 使用情况”，这正是兼容性问题的一个体现。

如何理解 原子掉电保护 在SSD存储中的作用？

在计算机存储领域，"原子性"（Atomicity）是一个非常重要的概念，它指的是一个操作要么完全执行成功，要么完全不执行，不存在中间状态。在电源突然中断的情况下，"原子掉电保护"就是指存储设备（如 SSD）能够确保正在进行的写入操作要么完全持久化到非易失性存储介质（NAND 闪存）上，要么完全不影响之前的数据状态，就像这个写入操作从未发生过一样。

简单来说，如果电源在 SSD 执行一个写入操作的中间突然断开，原子掉电保护机制可以确保：

1. 数据不会处于不一致或损坏的状态。 不会发生部分数据写入成功而部分数据丢失或损坏的情况。
2. 元数据（如 L2P 表的更新）也能保持一致性。 写入操作通常不仅仅涉及用户数据的写入，还包括内部元数据的更新。原子掉电保护也确保这些元数据的更新要么和数据一起完成，要么完全不发生。

Fig-17：LBS如何增益大IUs

Fig-17：LBS如何增益大IUs

图片解释了如何在主机操作系统层面通过一种称为“大块大小（LBS）”的方法来更好地支持使用大 IU 的 SSD。图片强调，这种方法的主要优势在于其对现有主机软件生态系统的影响最小，几乎可以让所有主机软件“免费”获得收益，因为相关的更改被封装在操作系统内核的底层（块层、页缓存、文件系统等）中，并且正在进行支持原子掉电保护单位 (AWUPF) 大于或等于 IU 大小的修改。

图片还指出，这种方法保持了后向兼容性，并且提供了一个选项，允许 I/O 对齐的确定性，通过选择使用扇区大小并将主机 I/O 与原子性对齐来实现。右侧的图示清晰地展示了这些更改发生在操作系统内核的各个层次。此外，图片还展示了 QLC SSD 在采用这种方法后在数据库工作负载中的性能收益，包括 TPS 的提升和变异性的降低。

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图片右侧是一个图示，展示了从用户空间/应用程序到物理设备的软件栈层级。

• 用户空间/应用程序 (Userspace/applications) 调用系统调用 (system calls) 如 read()、write()、open() 等。
• 这些系统调用进入内核 (Kernel)。
• 内核中包含 虚拟文件系统 (VFS)、块层 (Block layer) 和 页缓存 (Page cache)。
• VFS 下方是基于块的文件系统 (Block based filesystems)，例如 ext4、f2fs、gfs2 和 btrfs。
• 块层通过 NVMe 层 (NVMe layer) 与 物理设备 (Physical devices) 通信，例如 PCIe NVMe 设备。
• 左侧有一个 块缓存 (Block cache) 与块层关联。

Note

整理这篇文章，笔者最大的收获是：增强对块存储的理解，以及为什么说块存储小文件IO读写性能相对较高。归根结底可以追溯到LBA--L2P--IU的IO读写映射关系，块存储作为存储设备原生数据组织方式，从硬件设计上做了更深层次优化，从而具备更高寻址效率，而对象和文件存储都是在块的组织基础上，另做了语义（元数据）设计，从而具备场景的丰富特性。

图片通过一个实验数据表格展示了主机操作系统中的 LBS（大块大小）如何帮助实现 IU 对齐，从而显著降低最坏情况下的写入放大因子（WAF）。

表格中的数据显示，在某些工作负载下，当文件系统块大小、扇区大小与 IU 大小匹配，并且启用 LBS 和使用 Direct I/O 时，WAF 可以接近理想值 1.0。这意味着写入操作能够很好地与固态硬盘内部的 IU 对齐，减少了读-修改-写（RMW）操作，从而提高了性能和耐久性。图片还提供了一个名为 blkalign 的工具的示例，该工具可能用于评估不同配置下的对齐效果。这进一步证实了主机操作系统层面的优化（如 LBS）对于充分发挥 SSD 性能和延长寿命的重要性。

图片通过可视化方式展示了在特定配置下（FIO 512B 写入、64KiB IU、XFS 文件系统块大小 64KiB、SSD 和文件系统扇区大小 4KiB、启用 LBS）LBS 如何影响块大小和对齐大小分布，从而实现接近 1.0 的低写入放大因子（WAF）。

左侧的“块大小分布”图显示了写入操作的块大小分布情况，大部分集中在 4KB 和 8KB。右侧的“对齐大小分布”图则展示了这些写入操作在物理存储上的对齐情况，也主要集中在 4KB 和 8KB。图中的文字解释说，尽管执行的是 512B 写入，但启用 LBS 后，由于文件系统块大小和 IU 大小的设置，实际的写入和对齐操作以 4KB 和 8KB 为主，从而避免了小块写入导致的 RMW 效应，使得 WAF 非常接近理想值 1.0。这进一步证明了主机操作系统层面的 LBS 优化对于提高 SSD 性能和效率的有效性。

图片对之前讨论的 AWUPF（原子掉电保护单位）与 NPWG（命名空间首选写入粒度，即 IU 大小）之间的关系进行了最终评论。它推荐 AWUPF 应该大于或等于 NPWG 和 IU 大小。图片解释说，之所以采用“大于或等于”，是为了给固态硬盘供应商提供更大的设计灵活性。因为 AWUPF 通常是设计在 SSD 控制器的硬件中的，一旦控制器设计完成就相对固定，而 IU 大小可能会根据不同的容量或产品代进行调整。

图片还指出，独立于 IU 大小，主机可以将写入的交互大小增加到 AWUPF 的上限。这意味着，如果主机认为使用小于 AWUPF 但大于或等于 NPWG 的较小 I/O 大小在某些情况下更有利，它可以在不超过 AWUPF 的前提下进行优化。这允许在满足原子性要求的同时，根据具体的工作负载需求进行灵活的性能调整。

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~

• 大块尺寸（LBS）技术的普及和应用，将对现有数据中心和云计算环境产生哪些深远影响？
• 除了LBS之外，未来SSD主控和闪存技术还可能在哪些方面进行创新，以应对日益增长的数据存储挑战？
• 在追求更高SSD性能的同时，如何兼顾数据可靠性、耐久性和成本效益，找到最佳平衡点？

原文标题：SSD Architecture Challenges with DRAM

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