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NVMe分区命名空间降低了成本，提高了性能
新的分区存储接口利用NAND闪存功能，让主机软件与NAND存储通信，以便更好地将工作负载与SSD存储对齐。
NVM Express联盟最近批准了NVMe分区命名空间命令集规范。它定义了一个接口，使主机软件能够与非易失性NAND闪存进行通信。
分区名称空间（ZNS）将NVMe名称空间划分为支持特定数据或工作负载类型的独立区域。它将数据管理转移到主机软件，以改进对I/O和数据放置的控制。使用NVMe分区名称空间，应用程序可以利用NAND的固有体系结构，从而降低存储成本和提高性能，特别是对于超规模工作负载。
传统闪存的挑战
SSD有几个限制。数据是按顺序写入的，必须在重写之前擦除。数据在页面级别写入，但在块级别擦除。在存储单元开始出现故障之前，SSD仅支持有限数量的编程/擦除（P/E）周期。如果管理不当，这些问题可能会发生对SSD耐久性有负面影响并缩短SSD的使用寿命。因此，大多数SSD都包含闪存转换层（FTL），用于处理延长寿命的任务，如垃圾收集和磨损均衡，有助于解决SSD的缺点。
不幸的是，FTL管理层可能会对吞吐量产生负面影响，并增加延迟和成本，特别是在zettabyte规模的工作负载情况下。例如，FTL在持续的P/E周期中不断移动数据，导致写放大以及可能的性能下降。为了容纳这些管理进程，SSD也必须过度供应，并且需要足够的动态RAM (DRAM)来支持它们。
Zone技术最终可能会渗透到各种规模的数据中心，使闪存存储成为更多组织的可行选择。
由于超光速技术的影响，特别是在规模上的影响，阿里巴巴、微软、NetApp和西部数据等公司一直在研究如何利用超光速技术基于分区的SSD管理方法消除了超光速开销，提高了SSD效率。作为这项工作的一部分，NVM Express技术工作组开发了ZNS接口，以提供一个开放标准，使SSD内部与支持主机保持一致。
ZNS接口扩展了NVMe协议，以提供逻辑地址空间，使主机软件能够将I/O流量引导到特定的区域，类似于如何操作用木瓦盖磁记录(SMR)区域适用于hdd。使用NVMe分区命名空间接口，工作负载与SSD存储更好地对齐，提高性能并降低成本。
转向基于区域的存储
ZNS接口结合了用于控制SSD设备的开放通道体系结构的许多原理。开放式通道SSD公开其逻辑块地址(LBA)空间直接给主机，以便它可以管理数据放置、I/O操作和其他进程。LBA被分成由逻辑块组成的块，这些逻辑块由SSD的扇区大小定义。数据块必须按顺序写入，但可以随机读取。主机将每个工作负载定向到特定的块，从而获得更好的资源使用和性能。
存储供应商和超大规模组织已经采用Open-Channel架构来解决超光速限制。然而，这导致了各种专门的实现，而没有一个共同的标准。NVM Express希望通过ZNS接口来改变这种情况。
接口将LBA划分为zone，类似于Open-Channel chunk。每个区域被视为一个独立的名称空间。数据在区域内按顺序写入，在重写之前必须先擦除。这种方法无需超光速所需的管理开销。此外，不同的数据和工作负载类型可以针对特定的区域，以提供更可预测的使用模式和更好地使用存储资源。
ZNS接口支持ZBC (zone - oned Block Command)接口和ZAC (zone -device ATA Command)接口，分别支持SAS和SATA硬盘上的SMR zone。与ZNS一样，每个SMR区域都是一个独立的单元。在重写区域之前，数据必须按顺序写入并擦除。
将ZNS接口与ZBC和ZAC对齐，可以更容易地将ZNS集成到支持SMR的现有基础设施中。例如，支持SMR的设备映射器和文件系统应该能够在很少（如果有的话）更改的情况下使用ZNS。这种一致性还使得实现同时包含HDD和SSD的单分区存储成为可能。
ZNS和超大规模的工作负载
NVMe分区命名空间接口承诺提供几个好处。例如，由于区域与SSD的物理几何形状更好地对齐，减少了写入放大，消除了每次操作都要不断移动、擦除和重写数据的需要。与此同时，ZNS减少了存储过度配置，部分原因是写扩展更少，但也因为数据通过分区更有效地存储。
ZNS的另一个好处是，它将数据管理移动到主机，减少了对DRAM的需求，同时降低了管理开销和存储成本。较低的开销可以提高吞吐量和延迟率。更高效的数据放置和I/O控制进一步提高了性能。这些好处转化为更大的驱动器耐久性，有助于进一步降低存储成本。
NVMe分区命名空间的目标是超大规模的组织，比如云提供商和全球数据中心。hyperscaler必须尽可能高效和经济地管理他们的存储，这使得ZNS成为一个理想的选择。一些存储供应商正在开发支持zns的ssd来满足这些需求。
Western Digital一直站在这项工作的最前沿，参与了ZNS接口的开发，并通过其自己的分区存储计划（zone Storage Initiative）提供了包含HDD和SSD的基于分区的存储。Western Digital已经发布了支持SMR的HDD，并提供支持ZNS的开发SSD，以选择客户，并计划推出更多SSD。
目前，Radian Memory Systems、三星电子、SK海力士等公司正在积极开发支持zns的ssd。Radian和SK海力士已经演示了满足ZNS规格的产品，三星提供了支持ZNS实现的驱动器。不仅仅是存储厂商在使用ZNS。存储协议测试专家SANBlaze Technology最近宣布，将在其验证和测试平台中添加ZNS支持。
ZNS的新兴世界
现在，NVMe分区名称空间规范已经批准预计其他供应商也将进入这个市场。尽管如此，这个界面在被广泛采用之前还有很长的路要走，所以它的影响和成功还有待观察。开放通道提供了其潜力的一个迹象，但直到超大规模的组织实施ZNS，我们才会了解它的全部影响，以及SSD存储可能会如何演变。
尽管如此，ZNS代表着解决基于超光速的ssd带来的挑战的重要一步。Zone技术最终可能会渗透到各种规模的数据中心，使闪存存储成为更多组织的可行选择。
