详解NVMe SSD存储性能影响因素.docx

? ? ? ? ? ? ? ? 详解NVMe SSD存储性能影响因素 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?  导读： NVMe SSD的性能时常捉摸不定，为此我们需要打开SSD的神秘盒子，从各个视角分析SSD性能影响因素，并思考从存储软件的角度如何最优化使用NVMe SSD，推进数据中心闪存化进程。本文从NVMe SSD的性能影响因素进行分析，并给出存储系统设计方面的一些思考。 目录 1 存储介质的变革 ? ?2 NVME SSD成为主流 ? ?2.1 NAND FLASH介质发展 ? ?2.2 软件层面看SSD——多队列技术 ? ?2.3 深入理解SSD硬件 ? ?3 影响NVME SSD的性能因素 ? ?3.1 GC对性能的影响 ? ?3.2 IO PATTERN对性能的影响 ? ?3.2.1 顺序写入Pattern对SSD性能优化的奥秘 ? ?3.2.2 读写冲突Pattern对性能的影响 ? ?4 SSD写性能分析模型 ? ?5 小结 NVMe SSD的性能时常捉摸不定，为此我们需要打开SSD的神秘盒子，从各个视角分析SSD性能影响因素，并思考从存储软件的角度如何最优化使用NVMe SSD，推进数据中心闪存化进程。本文从NVMe SSD的性能影响因素进行分析，并给出存储系统设计方面的一些思考。 1 存储介质的变革? 近几年存储行业发生了翻天覆地的变化，半导体存储登上了历史的舞台。和传统磁盘存储介质相比，半导体存储介质具有天然的优势。无论在可靠性、性能、功耗等方面都远远超越传统磁盘。目前常用的半导体存储介质是NVMe SSD，采用PCIe接口方式与主机进行交互，大大提升了性能，释放了存储介质本身的性能。通常NVMe SSD内部采用NAND Flash存储介质进行数据存储，该介质本身具有读写不对称性，使用寿命等问题。为此在SSD内部通过FTL（Flash Translation Layer）解决NAND Flash存在的问题，为上层应用软件呈现和普通磁盘相同的应用接口和使用方式。 如上图所示，随着半导体存储介质的发展，计算机系统的IO性能得到了飞速发展。基于磁介质进行数据存储的磁盘和处理器CPU之间一直存在着棘手的剪刀差性能鸿沟。随着存储介质的演进与革新，这种性能剪刀差将不复存在。从整个系统的角度来看，IO性能瓶颈正从后端磁盘往处理器和网络方向转移。如下图性能数据所示，在4KB访问粒度下，NVMe SSD和15K转速磁盘相比，每秒随机读IO处理能力提升了将近5000倍；每秒随机写IO处理能力提升了1000多倍。随着非易失性存储介质的进一步发展，半导体存储介质的性能将进一步提升，并且会具有更好的IO QoS能力。 存储介质的革命一方面给存储系统性能提升带来了福音；另一方面对存储系统的设计带来了诸多挑战。原有面向磁盘设计的存储系统不再适用于新型存储介质，面向新型存储介质需要重新设计更加合理的存储软件堆栈，发挥存储介质的性能，并且可以规避新介质带来的新问题。面向新型存储介质重构存储软件栈、重构存储系统是最近几年存储领域的热门技术话题。 在面向NVMe SSD进行存储系统设计时，首先需要对NVMe SSD本身的特性要非常熟悉，需要了解SSD性能的影响因素。在设计过程中需要针对SSD的特性通过软件的方式进行优化。本文对SSD进行简要介绍，并从性能影响因素角度出发，对NVMe SSD进行深入剖析，在此基础上给出闪存存储设计方面的一些思考。 2 NVMe SSD成为主流 2.1 NAND Flash介质发展 目前NVMe SSD主流采用的存储介质是NAND Flash。最近几年NAND Flash技术快速发展，主要发展的思路有两条：第一，通过3D堆叠的方式增加NAND Flash的存储密度；第二，通过增加单Cell比特数来提升NAND Flash的存储密度。3D NAND Flash已经成为SSD标配，目前主流发布的SSD都会采用3D NAND Flash技术工艺。从cell的角度来看，目前单个cell可以表示3bit，这就是通常所说的TLC NAND Flash。 今年单个cell的bit存储密度又提升了33%，可以表示4bit，向前演进至QLC NAND Flash。NAND Flash的不断演进，推动了SSD存储密度不断提升。截止到今天，单个3.5寸SSD盘可以做到128TB的容量，远远超过了磁盘的容量。下图是近几年NAND Flash技术的发展、演进过程。 从上图可以看出，NAND Flash在不断演进的过程中，一些新的非易失性内存技术也开始发展。Intel已经推出了AEP内存存储介质，可以预计，未来将会是非易失性内存和闪存共存的半导体存储时代。 2