Micron：验证16KB IU对SSD_WAF的影响

关键要点

1. 1. 16KB IU可节省SSD中DRAM空间（75%）；
2. 2. 实际应用中，额外的WAF较低，通常小于2倍，有时接近1倍；
3. 3. 大IO写入应用更适合使用16KB IU；
4. 4. 元数据等小IO写入场景，不适合16KB IU。

问题意识

现代SSD不直接寻址NAND，而是通过固件实现逻辑地址到物理地址的间接映射，以优化性能和耐用性。固件需要维护逻辑地址表，映射每个逻辑地址到对应的物理位置，考虑NAND的物理特性，如芯片、带区、页面和扇区。每个条目通常约为4字节。

制造商在间接表空间和粒度之间权衡，通常基于8个扇区的单位（IU），即4KB。这意味着固件以4KB为粒度进行地址转换，而主机CPU可以以更小的粒度进行访问。这种设计降低了映射成本，但可能影响SSD的写入性能和耐用性。

Indirection Units（间接寻址单元，IU） 是用于管理闪存存储器中数据映射的一种结构，特别是在固态硬盘（SSD）中。它们的主要作用是将逻辑地址映射到物理地址，帮助管理和优化数据的读写过程。

随着SSD NAND容量的增加，IU表也随之增大。例如，4KB IU每TB需约1GB表空间。为了减少表空间需求并降低DRAM成本，可以增加IU大小，如8KB和16KB，但这会对小于IU大小的写入性能产生负面影响（WAF）。因此，制造商必须在表空间需求与性能之间找到平衡。

WAF（Write Amplification Factor） 是衡量闪存存储器（如SSD）在写入操作时实际写入数据量与用户请求写入数据量之间的比例。WAF越高，意味着SSD需要执行更多的写入操作，这可能导致性能下降和寿命缩短。 在SSD中，WAF问题尤为重要，因为闪存具有有限的写入周期。高WAF会加速闪存单元的磨损，降低SSD的使用寿命。此外，WAF还会影响SSD的性能，特别是在随机写入负载下。因此，优化WAF是设计高性能、长寿命SSD的关键因素。

为什么会出现WAF？HDD就没有这种现象吗？

WAF的出现主要是因为闪存存储器（如SSD）使用了“页”作为基本写入单元，而闪存的擦除操作是以“块”为单位进行的。这意味着，如果要更新存储在某一页的数据，闪存必须先将整个块的数据读出、修改，然后写入新的块，导致实际写入的数据量远大于用户请求的写入量，从而产生WAF。

相比之下，HDD（硬盘驱动器）以扇区为基本写入单位，数据的更新和删除可以直接在原位置进行，不需要像SSD那样进行块擦除和写入。因此，HDD并不存在WAF问题，写入效率通常较高，且不受写入周期的限制。然而，HDD的随机写入性能较差，整体性能不如SSD。

• • 一般术语用于定义大于LBA大小的FTL映射单位
• • 大IU对于支持大容量SSD是必要的
  • • 维持4K IU映射所需的DRAM大小变得不可行
  • • 16KB是大容量SSD最有前景的尺寸，但也可以考虑其他尺寸
• • 主要关注因未对齐写入引起的写放大（WAF）
  • • ( WAF_Total = WAF_App * WAF_SSD * WAF_IU )
  • • ( WAF_IU )是大IU引起的乘法因子
  • • ( 1 < WAF_IU < leq 4 ) 当为 16KB IU时
  • • 从公式上来看16K IU将导致 ( WAF_IU = 4 )，因此耐用性降低4倍
• • 需要现实数据来支持/挑战上述陈述

原理与测试数据

展示了不同大小的输入/输出（IO）在16KB IO单位（IU）下对写放大因子（WAF）的影响。较小的IO（如4K）导致较高的WAF，而较大的IO（如512K）则对WAF的影响较小。

• • 仅影响写入
  • • 读取不受影响
• • 仅影响 16KB 边界未对齐的写入
  • • 16KB 边界对齐的写入不会引入任何 WAF
• • 随着写入大小的增加，影响呈指数下降
• • 大多数文件系统倾向于聚合写入并发出大写入
• • 基于写入大小的大型 IU 引起的 WAF：
  • • 4KB = 4（例如 Legacy）
  • • 64KB = 1.25（例如 TPC-H）
  • • 1MB = 1.015（例如 Kernel Block Layer max）
  • • 2MB = 1.007（例如 RocksDB）
  • • 4MB = 1.003（例如多个基于 SPDK 的解决方案）

16K IU 引起的写入放大因子（WAF）主要影响未对齐的写入操作，且对读取操作没有影响。影响随着写入大小的增加而显著降低，文件系统通常会聚合写入以减少 WAF。不同的写入大小对应不同的 WAF 值，较大的写入大小导致更低的 WAF，最终引起的 WAF 在一定条件下可以带来容量和成本的优势。

实际业务场景IO一般要经系统自带的优化，如小IO聚合后才写入SSD，图中显示了基于IO数量和数据容量两种标准下的测试结果，Avg Size一栏显示了这些业务场景基准测试过程中实际写入IO大小，可见：

1. 1. 绝大部分业务场景的写IO都大于64KB，这使得 16KB IU的WAF因子接近1；
2. 2. Ceph 的Metadata写IO大小只有7KB，此时使用16KB IU，WAF因子比较大。

要点总结

• • 16K IU 在内存占用（节省75% DRAM大小）方面具有很大优势，但可能会影响 WAF（写放大因子）。
• • 基于数值预测，16KB SSD 的 WAF 可能比 4KB IU SSD多出 4 倍。
• • 在实际使用场景中，额外的 WAF 显示出要低得多：
  • • 基本小于2倍
  • • 有时接近1倍
• • 某些工作负载会比其他工作负载更合适：
  • • 元数据不是一个好的选择，但当与数据混合时，不会显著影响它们。
• • 16KB IU 对性能的影响将比假设的要小。

总结

本文档探讨了16KB Indirection Units（IUs）对现代工作负载的影响，特别是在闪存存储设备中。

通过分析不同大小和类型的写入操作，文档展示了即便是在最不利的情况下，实际的WAF值也远低于理论上的最大值，并且对于大多数工作负载来说，这种影响是可以接受的。特别是，对于那些倾向于聚合大块数据并进行批量写入的应用程序，16KB IUs实际上可以提供更好的性能和成本效益，而不会显著增加WAF。

---【本文完】---