利用 FDP 技术解决 SSD 写放大问题

Source: Amber Huffman, Chris Sabol, Overcoming the Write Amplification Problem with NVM Express® Flexible Data Placement

SSD 的广泛应用提高了超大规模数据中心和云虚拟化市场的性能和服务质量。然而，各种复杂性限制了SSD的最佳性能，其中包括写放大（Write Amplification，WA）问题，该问题降低了整个系统的性能，并增加了设备的介质磨损。

那么，WA到底是什么，为什么它很重要呢？WA是主机向设备发送数据时额外写入介质的数据。这些附加写入操作会减慢整个架构的速度，并占用设备上不必要的空间。写放大因子（Write Amplification Factor，WAF）是在此过程中额外写入介质的数据与主机最初请求写入的数据量之比。例如，如果系统的WAF为2，那么每当主机写入4KB的数据，实际上会写入8KB的数据到介质中。这些额外的数据特别在考虑到较大的写入时会导致系统性问题。

从历史上看，减少写放大的方法是过度预配（overprovisioning），即在系统内保留额外的NAND用于处理这些额外的写入操作。过度预配成功地减少了所需的垃圾回收操作，因为它为写入这些额外数据提供了额外的空间。然而，这也带来了一个额外的问题，即用户被迫购买和维护不必要的、常常未使用的NAND，浪费了资源和电力，并增加了成本。

与过度预配不同，系统可以直接与主机共享信息，了解如何最佳地将数据放置在设备上，从而帮助克服写放大问题，并直接提升系统性能。

引入NVM Express FDP技术

写放大问题发生是由于主机和设备之间的断开，因为主机没有足够的信息来了解设备的物理布局，也不知道通常一起使用的数据。NVM Express（NVMe）灵活数据放置（Flexible Data Placement，FDP）规范通过在写请求发生时，使主机能够向设备提供提示来解决写放大问题。这些提示向主机提供了足够的关于设备和数据本身的信息，通过在物理上将通常一起使用的数据放置在靠近的位置，从而建立设备的最佳物理布局。这个过程既减少了垃圾回收和写放大，又消除了过度预配的需要。

超大规模数据中心和云虚拟化市场的重要优势

通过NVM Express成员公司的合作，我们成功开发了这一重要的、功能丰富且向后兼容的解决方案。向后兼容性是必要的，因为如果主机和应用程序支持灵活数据放置（FDP），那么既可以实现减少写放大和提高性能的双重好处。FDP定义了主机基于正在写入的逻辑块地址指定的提示信息，设备根据这些提示信息进行最佳物理介质放置。FDP还向主机提供配置信息，使其了解设备的物理布局，包括每个物理单元中的逻辑块数量以及垃圾回收的情况。这些信息使主机能够提供适当的提示，并实现接近1.0的写放大因子（WAF）。

主要行业应用案例

对于超大规模和企业级数据中心市场，FDP至关重要，因为它不仅通过保持数据的最佳物理布局来提升性能，还减少了写放大和垃圾回收需求。此外，在任何存在单个设备多个用户的环境中，比如虚拟机中，使用带有FDP的NVMe设备都会带来显著的好处，包括改善的服务质量和更持久的设备。