分區存儲助力QLC應用到嵌入式存儲設備

背景

目前應用在移動終端的嵌入式存儲設備（這里主要指UFS/eMMC等，以下統稱“嵌入式存儲設備”）中主流介質還是TLC。但更高存儲密度的QLC也已經產品化，比如一些數據中心（讀密集型應用）已經在部署QLC存儲設備。QLC可以給存儲設備帶來更低的成本，作為消費級產品的嵌入式存儲設備，未來引入QLC也是勢在必行。

但和當前主流TLC相比，QLC在性能和壽命上都相差很大，從下面某原廠TLC和QLC在性能和壽命方面的一個對比可見一斑。

（Table 1:某原廠TLC和QLC性能和壽命對比）

因此，QLC要應用在嵌入式存儲設備上，首先需要解決性能差和壽命短兩大問題。

雖然QLC還不到TLC的1/4寫入性能，但目前消費級固態存儲產品都有成熟的SLC cache機制，能保證用戶有比較好的突發寫入性能（寫SLC的性能）。由于嵌入式存儲設備有比較充裕的空閑時間，存儲設備可以利用空閑時間把數據從SLC搬到QLC，只要不是重度寫入場景，這部分QLC寫入性能，用戶一般感知不到。

但數據一旦寫到QLC，對比TLC，用戶讀取性能變差。針對這個讀取性能差的問題，有一種方案是把熱數據（經常讀?。懟豐LC，但這樣無疑增加了設備復雜性，而且數據搬移帶來了額外的寫放大，這讓壽命本來就不長的QLC“雪上加霜”。

如果說性能問題可以通過SLC解決或者緩解，那對于QLC壽命問題，在分區存儲引入之前，可能的解決方案有：用戶端使用類F2FS文件系統和使用數據分流。

F2FS文件系統化隨機寫為順序寫，這會減少存儲設備內部垃圾回收導致的寫放大，但F2FS文件系統本身的垃圾回收，會給存儲設備帶來額外的寫。綜合下來，F2FS文件系統給設備帶來的寫放大不一定減少。

數據分流需要主機和設備配合：主機端對數據進行冷熱甄別，設備端根據數據的冷熱程度把它們存儲在不同的閃存塊上。數據分流能一定程度上減少存儲設備寫放大，但具體能帶來多大收益，這取決于用戶冷熱數據的比例，因此有一定的局限性。

今天要介紹減小寫放大的終極大招——分區存儲（Zoned Storage），它能消除QLC和TLC壽命之間的差異，而且能提升存儲設備性能，讓QLC應用到嵌入式存儲設備上變得可能。

什么是分區存儲？

分區存儲概念最早來源于SMR HDD。SMR是“Shingled Magnetic Recording”（疊瓦式磁記錄）的首字母縮寫，是一種用于增加容量并降低硬盤每TB成本的重要技術。SMR硬盤把硬盤分成一個個的分區（Zone），每個分區內部必須順序寫，否則會發生數據覆蓋從而導致之前寫入的數據丟失問題。

（Figure 1:SMR HDD）

分區存儲設備的邏輯空間被劃分成一個個連續的分區，分區內部只能被順序寫入。每個分區都有一個寫指針，用于跟蹤下一次寫入的位置。分區中的數據不能被覆蓋，必須首先使用特殊命令（區域重置）擦除數據。

（Figure 2:分區存儲概念）

除了HDD，基于閃存的固態存儲設備，也是非常喜歡順序寫入的，因為順序寫性能好，而且導致的寫放大也小?！白屩鳈C端順序寫入”一直是固態存儲設備的夢想，在SMR HDD助力下，分區存儲生態日趨完善，NVMe也制定了ZNS（Zoned Namespace）標準，SSD也算是“圓夢”了。

分區存儲帶來的好處

分區存儲帶來的一大好處就是能消除存儲設備內部的垃圾回收。存儲設備垃圾回收會導致兩個主要問題：一是引入寫放大，導致存儲設備壽命減少；二是垃圾回收的同時如果伴有主機讀寫，垃圾回收操作則會影響主機讀寫性能。

（Figure 3:垃圾回收示例）

垃圾回收原理：為騰出空閑閃存塊，需要把有效數據A、B、C從源閃存數據塊搬到新的閃存塊，內部數據的搬移引入寫放大。寫放大 = 寫入閃存的數據量/主機寫入的數據量，寫放大越大，對閃存磨損越厲害。

分區存儲怎么就能消除存儲設備垃圾回收的呢？

如果分區大小是存儲設備閃存塊大小的整數倍，這樣一個分區的數據會被寫到閃存設備的整數個閃存塊內。由于分區不允許覆蓋寫，一個分區數據只能被整體無效掉，也就是意味著該分區對應的閃存塊也是整體被無效掉（上面沒有任何有效數據），因此存儲設備內部回收閃存塊無需垃圾回收——只需要一個擦除動作。

傳統垃圾回收由于需要搬移閃存塊上的有效數據，會導致寫放大。還有，為減小寫放大和加速垃圾回收，存儲設備都會預留一些閃存空間（也就是我們常說的OP），以減少閃存塊上有效數據數量。現在分區存儲設備中由于不存在垃圾回收，因此沒有寫放大，同時這部分OP也可以省掉了（節省成本）。

（Figure 4:傳統SSD數據存放和分區SSD數據存放比較）

分區存儲帶來的另一大好處就是大大減少了映射表大小，從而提升系統性能，減少存儲設備成本。

基于閃存的傳統存儲設備一般按4KB邏輯塊大小為映射粒度，其L2P映射表（邏輯地址到物理地址的映射）大小一般為存儲設備容量的1/1024，比如一個512GB的UFS設備，其L2P映射表大小為512MB。企業級SSD一般都配有相應大小的DRAM來存儲運行時的L2P映射表，比如512GB的企業級SSD需要搭載至少512MB的DRAM；而業界消費級存儲設備則是出于成本考慮，一般都沒有DRAM，它利用控制器小的SRAM緩存部分L2P映射表，而絕大多數L2P映射表都是存在閃存，固件按需從閃存加載映射關系數據到控制器SRAM。這種DRAM-less的存儲設備，與帶DRAM的存儲設備相比，少了DRAM的成本，但性能無疑會大打折扣，因為控制器SRAM大小有限，對隨機讀取場景來說，映射表緩存命中率很低，固件很多時候需要先從閃存加載映射關系，然后再根據獲得的物理地址去讀用戶數據，也就是說讀取一筆數據需要訪問幾次閃存，意味著讀取性能肯定比只訪問一次閃存要慢得多。

問題的根因是傳統存儲設備映射粒度太細了，導致映射表巨大。而分區存儲設備，我們可以按照分區大小為映射粒度。假設分區大小為128MB，一個512GB的設備有4096個分區，每個分區對應的物理地址用4字節表示，那么整個L2P映射表只有16KB！這么小的映射表完全可以存儲在控制器SRAM中，因此在企業級SSD中可節省DRAM的使用；對消費級存儲產品來說，L2P映射表可以常駐內存，無需從閃存中獲取映射關系，讀取一筆數據只需訪問一次閃存，這大大加速了隨機讀取性能。

（Table 2:傳統存儲設備和分區存儲設備映射對比）

分區存儲助力QLC嵌入式存儲設備

回到QLC應用到嵌入式存儲設備的話題。

在傳統嵌入式存儲設備中，垃圾回收一般會引入3-4的寫放大，即一個3000次擦寫次數的TLC閃存，真正給到用戶的擦寫次數可能不到1000次。而分區存儲的使用，由于不存在垃圾回收，因此寫放大可以做到接近1，也就是一個1500次擦寫次數的QLC，給到用戶就是實打實的1500次。這意味著：傳統用3000次擦寫次數TLC的存儲設備，假設TBW為100TB，現在如果用QLC，雖然QLC的擦寫次數只有TLC的一半，但由于分區存儲的使用，TBW反而能提升到150TB。

對分區存儲設備，由于L2P映射表很小，完全能夠存放在控制器SRAM，因此可快速更新和獲取映射關系，從而大幅提升系統讀寫性能。傳統基于TLC的嵌入式存儲設備，在隨機讀取一筆數據(4KB)的時候，由于L2P映射緩存很?。◣装貹B），固件大概率要先從閃存上加載L2P映射關系，這個時間大概40us左右，然后再花60us左右的時間從閃存加載用戶數據——隨機讀取一筆數據的時間大概需要花100us左右；而現在基于分區存儲的嵌入式存儲設備，由于省掉了加載映射關系的時間，雖然讀取閃存的時間QLC要比TLC長，但總的時間下來，兩者是相當的。

由于分區存儲設備的使用，再加上成熟的SLC緩存機制，這兩大特性彌補了QLC壽命短和性能差兩大短板，讓QLC應用到嵌入式存儲設備上變得可行?，F在典型的嵌入式存儲設備為UFS設備，如果引入了分區存儲，像UFS中的HPB、FBO等特性完全可以拋棄，這也無疑簡化了UFS設備的設計。

嵌入式存儲設備技術展望

前端接口協議方面，應用于安卓平臺上的嵌入式存儲設備當前主流是UFS設備，相信未來很長一段時間也會沿著UFS路線繼續向前。UFS4.0協議今年8月份發布，三星早前也發布了UFS4.0存儲設備。

（Figure 5:嵌入式存儲協議發展路線）

存儲介質方面，作為消費級產品，嵌入式存儲設備對成本敏感，隨著QLC閃存的成熟，QLC必然會應用到未來的嵌入式存儲設備上，無論是廠商還是消費者，都要做好這個心理準備。事實上，今年（2022年）年初鎧俠已經發布了基于QLC的UFS3.1產品。

QLC應用到嵌入式存儲設備上，要讓消費者用得放心，這需要相關的技術來解決QLC介質可靠性差、壽命短、性能差等問題。因此在技術趨勢方面，一方面是嵌入式存儲控制器糾錯能力需要變得越來越強；另一方面，像數據分流、分區存儲這些能減小寫放大的技術也會被引入，來彌補QLC壽命短這塊短板。

目前，江波龍具有基于主流3D TLC閃存的豐富的嵌入式存儲產品，從eMMC到高性能UFS3.1，從消費級存儲到車規級存儲，產品矩陣全面。同時，公司也在思考怎么把存儲密度更高的QLC應用到嵌入式存儲產品上，并開展相關技術預研工作。未來，江波龍會持續給客戶帶來更多超越期望的嵌入式存儲產品。