Zoned Storage/Zoned Namespace
Leistungsschub für SSDs
Die von Western Digital entwickelte Zoned-Storage-Technik verbessert die Performance und Haltbarkeit von SSDs, indem sich alle Schreibvorgänge sequenziell in definierten Zonen ausführen lassen. Unter dem Namen Zoned Namespace (ZNS) ist sie mittlerweile Bestandteil des SNIA-NVMe-Standards.
Solid-State Disks (SSDs) haben sich mittlerweile in so gut wie allen Bereichen als Standard für primären Storage durchgesetzt. Die in der Regel auf NAND-Technik („Not And“ Non-Volatile Storage) basierenden Laufwerke bieten hohe Durchsatz- und IO-Raten bei einer im Vergleich zu Hard Disk Drives (HDD) sehr niedrigen Latenz. Als vor etwa fünfzehn Jahren die ersten kommerziellen SSDs auf den Markt kamen, stellte die Haltbarkeit des NAND-Speichers ein Problem dar. Die Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen ist begrenzt, das heißt, dass sich eine Zelle nicht beliebig oft neu beschreiben lässt. Um die Haltbarkeit von SSDs zu erhöhen, entwickelten die Hersteller spezielle Techniken.
Hierzu zählt unter anderem ein Wear-Leveling-Algorithmus, der die Schreibvorgänge möglichst gleichmäßig über alle NAND-Zellen verteilt. Der NAND-Speicher ist zudem in Erasure-Blocks unterteilt, die immer komplett gelöscht sein müssen, bevor sie sich wieder als freier Speicherbereich nutzen lassen. Diesen Vorgang steuert der in der SSD integrierte FTL-Controller (Flash Transaction Layer) mit Hilfe der sogenannten Garbage Collection. Dieser Prozess schreibt zunächst alle noch gültigen Daten des zu löschenden Erasure-Blocks an einer anderen Stelle auf die SSD. Anschließend erfolgt die Löschung des kompletten Blocks, wodurch er wieder als freier Speicher zur Verfügung steht. Um Löschvorgänge zu optimieren, hat man zudem den Trim-Befehl entwickelt. Damit kann das Server- oder PC-Betriebssystem dem SSD-Controller mitteilen, welche Blöcke im Filesystem gelöscht sind. Eine Weiterentwicklung ist die im Linux-Kernel integrierte Streams-Technik, die zusammengehörige Daten identifizieren kann und dadurch effizientere Schreib- und Löschzyklen ermöglicht.
Die Garbage Collection hat allerdings einen großen Nachteil. Sie führt dazu, dass einmal gespeicherte Daten während ihres Lebenszyklus in andere Bereiche umziehen müssen und somit neu zu schreiben sind, um die jeweiligen Erasure-Blocks wieder freigeben zu können. Dies hat zur Folge, dass der sogenannte Write Amplification Factor (WAF) meist bei Werten von zwei oder höher liegt. Ein WAF von zwei bedeutet, dass für die Speicherung von 1 TByte Daten auf der SSD im Laufe der Zeit 2 TByte zu schreiben sind.
ZNS optimiert Datenspeicherung
Um diese nicht sehr effiziente Art der Datenspeicherung auf SSDs zu verbessern, hat Western Digital die Zoned-Namespace-Technik (ZNS) entwickelt. ZNS schreibt Daten immer sequenziell in eine sogenannte Zone. Die von einer Anwendung gespeicherten Daten lassen sich dadurch nicht wie bei einer konventionellen SSD über mehrere Erasure-Blocks hinweg verteilen, sondern an einem Stück in die für diese Anwendung reservierte Zone schreiben. Wenn ein Erasure-Block wieder als freier Speicherplatz deklariert werden soll, ist eine vorherige Umverteilung von Daten nicht mehr nötig, weil sich alle von der Anwendung gelöschten Bits in den für ihre Zone definierten Erasure-Blocks befinden. Da mit ZNS aufgrund der sequenziellen Schreibvorgänge in definierte Zonen keine Garbage Collection und kein Wear Leveling mehr erforderlich sind, liegt der WAF-Wert bei eins und hat keine negativen Auswirkungen mehr auf die Lebensdauer der SSD.
Zudem ist mit ZNS kein Over-Provisioning mehr nötig. Konventionelle SSDs verfügen über eine Kapazitätsreserve von bis zu einem Drittel der nutzbaren Speicherkapazität. ZNS ermöglicht durch eine deutlich effizientere Speichernutzung niedrigere Kosten pro TByte. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Performance im Vergleich zu herkömmlichen SSDs. Laut Western Digital erzielt die neue ZNS-SSD Ultrastar DC ZN540 bis zu vier Mal so hohe Durchsatzraten und bietet aufgrund der niedrigeren und recht genau vorhersagbaren Latenzwerte eine deutlich bessere Quality of Service (QoS). Bei konventionellen SSDs sinken die Durchsatzraten beim Schreiben deutlich, sobald man die Gesamtkapazität das erste Mal beschrieben hat und die Garbage Collection einsetzt, um gelöschte Speicherbereiche wieder freizugeben. Zudem steigt die Latenz der Schreib- und der Lesezugriffe mit zunehmender Last stärker an als bei ZNS-SSDs.
- Leistungsschub für SSDs
- SNIA-NVMe-Standard
Lesen Sie mehr zum Thema
