如何用多流写技术提高SSD的性能和寿命

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今天学习FMS16的会议材料。有一个三星的多流写技术，三星正在推荐成为国际标准，我觉得比较有意思，因此，今天就来聊聊这个东西。

首先，我们知道NAND闪存的一些和硬盘不同的特性：其有三种操作，读，编程（其实就是写）和擦除。硬盘支持覆盖写，因此不需要擦除。而闪存读写的单位都是page，但擦除的单位是block（即多个page)。由于不能覆盖写，因此有一个垃圾回收的额外动作，即把有用的page数据复制到别的地方，然后擦除这个block，才能重新写数据。这就带来额外的写放大，而且垃圾回收的时候数据移动肯定要加锁的，因此除了影响写性能，其实读性能也是受影响的。

但闪存和硬盘还有一个不同就是寿命的问题。也就是一个page编程的次数是有限的（其实硬盘也有寿命，只是相对闪存来说，大家都认为其生命周期内没有这个问题）。根据三星的统计，不同的闪存的写寿命都在下降，应该不是技术问题，而是为了追求更高密度而导致的结果。不过3D-NAND技术出来后，应该有所改善，因为3D的空间要大一些，相互干扰小一些。一般3D TLC NAND的寿命和2D NAND MLC的寿命差不多。

为此，三星提出了一个多流写的技术，即应用把数据按照不同更新频率分成多个数据流，而SSD写的时候识别这些数据流，把相同特征的数据流写在一起（连续的block）。

这种数据布局的好处就是垃圾回收的时候更加高效，因为数据流的特征不同，垃圾回收的频度就不同，有些不常改动的数据占据的block就不用回收了。回收的block一般这个block数据都失效了，可以直接擦除，避免了数据的复制。

由于避免更多的page的数据复制，减少了写放大，其实就相当于延长了系统的写寿命。

三星拿开源的No-SQL数据库Cassandra，打上多流写的补丁前后进行测试对比，发现可以提高2倍的写寿命，而且还有45%的性能提升，读的时延也减少了50%。还是一个非常不错的结果。

三星目前正在推动这个多流写技术成为一个标准。目前在SCSI/SAS接口已经完成，而NVMe正在做最后审查。

我把标准下载下来看了一下，目前还是一个草案，还不是正式标准。

标准其实主要定义SCSI的initiator和target通信的格式。让操作系统写盘的时候通过SCSI命令把数据流的标识告诉SSD。如果是NVMe，由于by pass了SCSI层，因此需要增加NVMe的命令，因此是不同的标准。还有，标准化以后，需要操作系统支持，也需要各个应用程序支持。因为只有应用程序才最终清楚自己的数据特征，让它来打标记是最好不过的了。

其实，AFA(all flash array)也可以利用这个思路。比如华为马上要在上海HC大会上发布的OceanStor Dorado V3，据说采用了全局的FTL，采用冷热数据分离的方式来提高垃圾回收的效率。

这个冷热数据分离其实和多流写思路是一样的。不同的是三星提出的多流写需要应用系统或者操作系统支持，而且只针对单个SSD的。而华为的这个冷热分离，是存储内部实现，是系统级别的。华为可以这么做，主要是采用了自研的HSSD盘，可以让阵列的软件和SSD的fireware协同起来。

但是，如果三星这个多流写成为一个标准，那么华为的Dorado V3也必将从中受益。因为应用程序直接在写的数据上打上标签，发送到阵列上，阵列进行冷热数据判断就更加精确和容易，效率会更高。而且，有了这些数据流标签，阵列的Cache调度算法也会更加高效，你会把最热的数据尽量保存到Cache里，提高Cache的命中率。

闪存技术给整个存储系统带来很多设计上的变化，而数据的智能布局对闪存性能和寿命都有巨大的影响。未来的AFA系统会更加智能，更加应用感知。

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