[Multi-stream]The Multi-streamed Solid-State Drive

Posted by Lv Yina on 2018-12-10

最先由三星公司提出的多流SSD技术,这篇主要介绍多流SSD
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最近在看Multi-Stream SSD方面的paper,比如上一篇博文中提到的FStream和vStream等等,了解了他们的ideas后,我们也有新的ideas。尝试着改代码!昨晚有了点思绪后,今天改了好多但是后来发现还是存在很多的问题,没法继续改下去了……
明天去参加2018中国存储与数据峰会,有时间会专门写一篇博文和大家分享的!下面来一起来学习Multi-Stream SSD吧~是不是听着名字就感觉很先进啊^^

再添一篇介绍多流SSD的文章:用多流写技术提高SSD的性能和寿命

研究背景

大家买电脑的时候是否会考虑买容量大价格便宜的HDD(机械硬盘)还是价格贵一些但是性能更好速度更快的SSD(固态硬盘)?
我们都知道机械硬盘即是传统普通硬盘,主要由:盘片,磁头,盘片转轴及控制电机,磁头控制器,数据转换器,接口,缓存等几个部分组成。上图!

而固态硬盘用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。上图!

相比于HDD,SSD具有读写速度快、防震抗摔性、低功耗、无噪音、轻便等优点,但是其致命的缺点就是寿命限制,固态硬盘闪存的擦除次数限制问题,还有就是容量小价格高!

PS:我买的电脑型号是T480,双盘(128GSSD+1THDD),电脑负载大的时候磁盘声音兹拉兹啦的响,虽说当时买电脑考虑到既要速度快又要容量高,因此就买了双盘,用着还不错,就是这个声音的bug一直很是难受了

SSD老化

SSD老化解释了为什么SSD性能可能会随着时间的推移而逐渐降低; 由于SSD充满了越来越多的数据并且这些数据呈碎片化,因此GC执行得更频繁。当使用“clean”NAND闪存时,老化效应开始显现。并且在这种情况下,FTL必须通过“erase”一些闪存块来主动恢复足够量的新容量,才能容纳新的写入数据。而进行erase操作之前通常先是执行花销比较高的GC,更糟糕的是,NAND块,一个擦除操作单元,在现代NAND闪存中相当大,其中有128 page或者更多。

当SSD充满越来越多的数据时,统计上,FTL需要在每次NAND闪存擦除操作之前复制更多有效的GC页面。这种现象类似于日志结构文件系统的“segment cleaning”,此现象已被充分研究。

上图清楚地描述了SSD老化的影响:Cassandra吞吐量(在“正常”SSD的情况下)的性能严重下降,因为SSD中的数据集不断更新 - 高达~56%。

多流

在描述所提出的多流方法之前,让我们考虑揭示一些例子来解释为什么传统的写入模式优化(如仅附加日志记录)不能完全解决SSD老化问题。

上图给出了示例,其中填充了两个NAND闪存块(块0和块1)并写入新数据以填充块2.在第一个示例(左)中,应用了顺序写入模式,并且 结果,一些数据在块0和1中变得无效。另一方面,在第二个例子中,应用了随机写入模式,使块0中的所有数据无效,但块1中没有。显然,未来的GC将更有效地进行
在此示例中,因为可以快速回收空的NAND闪存块(块0)而无需复制数据。这些示例表明SSD的GC头不仅取决于当前的写入模式,还取决于数据如何已经放置在SSD中

SSD老化问题的核心是如何预测写入SSD的数据的寿命,以及如何确保具有类似寿命的数据被放置在同一个擦除单元中。这项工作提出了多流,一个直接指导SSD内数据放置的接口,将这两个问题分开。我们认为主机系统应该(并且可以)为SSD提供有关数据生命周期的充分信息。然后,SSD负责将具有相似寿命的数据(由主机系统指示)放入相同的擦除单元中。

The Multi-stream SSD的设计引入了流的概念。Stream是SSD容量分配的抽象,它存储一组具有相同生存期的数据。实现多流接口的SSD允许主机系统打开或关闭流或者写入其中一个流。在写入数据之前,主机系统根据需要打开流(通过特殊的SSD命令)。


主机系统和SSD共享每个打开流的唯一流ID,并且主机系统用适当的Stream ID增加每个写入。多流SSD严格分配物理容量,将数据放在一起,而不是混合来自不同流的数据。上图说明了如何实现这一目标。

"I want to say"
通过将具有不同生命周期的应用程序和系统数据映射到SSD流,可显著改善SSD吞吐量和延迟QoS
主要是优化了GC,极大地缩小了写放大WAF参数。

先码到这,最近都会更新这方面的博文,有兴趣可以一起来研究交流哦!



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