文|量子位 金磊 夢(mèng)晨
是真沒想到啊，網(wǎng)盤圈還能熱鬧起來(lái)。
阿里云盤開始會(huì)員收費(fèi)了，單位容量?jī)r(jià)格還是主要競(jìng)品的1/4。
消息一出，便立刻成為了一則用戶和行業(yè)熱議的話題。
各個(gè)社區(qū)也一下子出現(xiàn)了各種算賬黨：
△ 圖源：微博達(dá)人@午后狂睡
△ 圖源：B站達(dá)人@格物時(shí)間
不過(guò)在這熱議的背后，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題便隨之浮現(xiàn)：在百度網(wǎng)盤占據(jù)超過(guò)2/3市場(chǎng)的情況下，如果在網(wǎng)盤市場(chǎng)繼續(xù)價(jià)格戰(zhàn)，真的還有意義嗎？
量子位雖然未能獲得各家詳細(xì)成本資料，但通過(guò)另一種方式，獨(dú)家采訪到全球存儲(chǔ)技術(shù)大佬，了解到數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)技術(shù)的前沿儲(chǔ)備。
這也許才是未來(lái)個(gè)人云存儲(chǔ)的科技勝負(fù)手吧。
“存儲(chǔ)領(lǐng)域的5G標(biāo)準(zhǔn)”
去年5月，就有海龜存儲(chǔ)專家告訴量子位，未來(lái)數(shù)據(jù)中心硬盤的全球新標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議已經(jīng)通過(guò)。
總結(jié)一句話來(lái)說(shuō)就是——
數(shù)據(jù)中心硬盤和存儲(chǔ)系統(tǒng)溝通的協(xié)議，正在發(fā)生像移動(dòng)通信從4G到5G的那種變化。
具體來(lái)說(shuō)，這種NVMe2.0指令集中，關(guān)于固態(tài)閃存盤（SSD）和疊瓦磁盤(SMR)都可用的新標(biāo)準(zhǔn)ZNS（Zoned Namespace）
當(dāng)時(shí)的一份指令集版本里，可以看到ZNS協(xié)議的核心作者（Technical Proposal Author）們經(jīng)過(guò)了四年多時(shí)間，才最終與會(huì)員達(dá)成了最終標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。
這時(shí)很多友友們又會(huì)問(wèn)了，所以呢？
別急，接下來(lái)我們就來(lái)講講，這個(gè)ZNS標(biāo)準(zhǔn)和存儲(chǔ)性能的關(guān)系。
對(duì)NVMe這個(gè)詞，凡是買過(guò)SSD（固態(tài)硬盤）的人一定不會(huì)陌生。
NVMe代表“非易失性存儲(chǔ)器規(guī)范”，最大的特點(diǎn)就是不必實(shí)時(shí)供電、數(shù)據(jù)傳輸快。
2011年首次問(wèn)世以來(lái)，NVMe迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，成為高端SSD的代名詞。
從手機(jī)（蘋果手機(jī)內(nèi)存使用NVMe規(guī)范）、家用硬盤到企業(yè)云存儲(chǔ)都有廣泛應(yīng)用。
而ZNS指令集標(biāo)準(zhǔn)正是新一代NVMe2.0中針對(duì)進(jìn)一步改善SSD性能和壽命的一種新嘗試。
SSD的速度和使用壽命，都受到一種“寫放大效應(yīng)”的影響。
在操作系統(tǒng)的視角看來(lái)，SSD內(nèi)部會(huì)分成一個(gè)個(gè)塊（Block），塊里面再分成頁(yè)（Page）。
基于SSD的硬件特點(diǎn)，寫入時(shí)可以按頁(yè)為單位，刪除時(shí)卻只能整塊刪除。
如果一個(gè)塊里有需要保留的數(shù)據(jù)，也有需要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)怎么辦？
傳統(tǒng)做法，是先把需要保留的數(shù)據(jù)挪到另一個(gè)塊里，再對(duì)原來(lái)的塊整體刪除。
對(duì)于一次寫入操作，比如寫入1個(gè)G數(shù)據(jù)，實(shí)際執(zhí)行的寫入量還要再乘上一個(gè)寫放大系數(shù)（WAF）。
可以看出，寫放大系數(shù)越大，對(duì)寫入速度的影響也就越大。
并且，SSD的閃存單元有固定的壽命，現(xiàn)在主流的三層單元（TLC）大概在1000次擦寫循環(huán)，成本更低但結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的四層單元（QLC）只有300-500次。
對(duì)于QLC單元的SSD來(lái)說(shuō)，寫放大效應(yīng)更為致命。
除了影響速度和使用壽命，寫放大效應(yīng)也是導(dǎo)致SSD需要一定預(yù)留空間的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>
如果整塊盤存滿，就沒有空間可以去挪動(dòng)要保留的數(shù)據(jù)了，所以一塊SSD里至少有7%左右空間是不能用的，多的時(shí)候這種預(yù)留空間（over-provisioning）甚至?xí)_(dá)到28%。
7%對(duì)于家用硬盤一塊兩塊來(lái)說(shuō)倒也不是不可以接受，但如果存儲(chǔ)引擎在軟件層不給力，20%以上可就太浪費(fèi)了，尤其對(duì)于大規(guī)模使用的云存儲(chǔ)行業(yè)來(lái)說(shuō)，還是挺肉疼的。
為解決以上問(wèn)題，需要一個(gè)全新的存儲(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，就好像通訊技術(shù)里的5G標(biāo)準(zhǔn)一樣。
ZNS指令集標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。
其發(fā)起者，是NVMe協(xié)會(huì)的Matias Bj rling，一位從20多歲起就死磕存儲(chǔ)技術(shù)的工程師老哥。
為了能把這項(xiàng)技術(shù)講明白，我們發(fā)郵件向他詢問(wèn)了ZNS標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)。
他認(rèn)為整個(gè)想法的來(lái)源很簡(jiǎn)單，就是ZNS把SSD的管理層一分為二。
其中管理硬件的事留在硬件內(nèi)部，把數(shù)據(jù)應(yīng)該存放到哪這種工作剝離出去，交給軟件和操作系統(tǒng)來(lái)做。
最終實(shí)現(xiàn)方法是把SSD內(nèi)部空間劃分成不同區(qū)域（Zone），不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至特定分區(qū)。
對(duì)于長(zhǎng)期存放的數(shù)據(jù)，盡量完整的集中放在一些塊里，便可以減少臨時(shí)挪動(dòng)。
雖然是很小的改動(dòng)，收益卻很大。
理想情況下，使用ZNS標(biāo)準(zhǔn)的SSD可以把寫放大系數(shù)做到接近于1，寫入速度提高的同時(shí)大大延長(zhǎng)了使用壽命，也解放了不少預(yù)留空間。
Matias告訴量子位，這種做法的好處顯而易見，不過(guò)也需要付出一定代價(jià)。
從軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)方案到操作系統(tǒng)，都需要針對(duì)性的做出適配，才能最大程度發(fā)揮ZNS的價(jià)值。
于是，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，就需要硬盤生產(chǎn)方、云計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)方、應(yīng)用方共同參與才能完成。
誰(shuí)在布局ZNS？
若是搜索一下與ZNS相關(guān)的消息，其實(shí)不難發(fā)現(xiàn)，全球已經(jīng)有許多硬盤制造商布局于此。
例如西部數(shù)據(jù)早在2020年10月便推出了全球首個(gè)ZNS SSD——Ultrastar DC ZN540。
據(jù)悉，與傳統(tǒng)SSD相比，西部數(shù)據(jù)的這款ZNS SSD吞吐量提高4倍，QoS改善2.5倍。
僅時(shí)隔半年，另一個(gè)“硬盤大玩家”三星，緊隨其后推出了基于ZNS企業(yè)服務(wù)器的SSD——PM731a系列。
據(jù)三星方面表示，這款ZNS SSD在容量方面提供2TB和4TB兩種規(guī)格，最大的亮點(diǎn)，便是能夠“延長(zhǎng)4倍的數(shù)據(jù)壽命”。
但除了上述這兩家廠商之外，若是查看NVMe的規(guī)范文檔，我們可以發(fā)現(xiàn)全球有許多大玩家也在追隨著ZNS SSD的腳步，并為推動(dòng)它的發(fā)展發(fā)揮著各自的作用：
NAND制造商：出了剛才提到的三星，還包括Intel、Micron、SK Hynix、Kioxia。
控制器廠商：Microchip。
超標(biāo)量云計(jì)算提供商：微軟、阿里巴巴。
還有一些知名公司包括Seagate、Oracle和NetApp等。
從受到全球產(chǎn)業(yè)鏈巨頭們的熱捧這一層面來(lái)看，也可以一定程度上反映出ZNS SSD發(fā)展的正確性。
而在眾多貢獻(xiàn)者之中，云計(jì)算廠商的位置非常關(guān)鍵，就像前面所說(shuō)，ZNS硬盤要真的發(fā)揮高性能，需要在存儲(chǔ)系統(tǒng)層面進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。
目前主流云計(jì)算廠商的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，也確實(shí)是不同介質(zhì)、不同協(xié)議的存儲(chǔ)硬件，都要進(jìn)行接入適配的自主架構(gòu)。
如果能深入到硬件層面去影響全球標(biāo)準(zhǔn)，這無(wú)疑是所有軟件系統(tǒng)商核心能力的呈現(xiàn)。
為此，我們特意向Matias做了求證——云計(jì)算廠商為NVMe社區(qū)和ZNS相關(guān)工作做了哪些貢獻(xiàn)？
他在郵件中的回復(fù)如下：
在ZNS前一代探索性的協(xié)議OpenChannel中，云廠商是首個(gè)大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心集成應(yīng)用實(shí)踐者，推動(dòng)了整個(gè)Open-Channel標(biāo)準(zhǔn)最終可用，這些實(shí)踐支撐了ZNS標(biāo)準(zhǔn)的確立。
他們的工作對(duì)整體軟件和部署復(fù)雜性有重大影響，他們降低了軟件開銷，提出了同時(shí)保證存儲(chǔ)介質(zhì)可靠、損耗均衡的關(guān)鍵意見，現(xiàn)在在采用ZNS時(shí)，可以顯著簡(jiǎn)化一系列復(fù)雜性，能讓ZNS更容易被使用。
……
不過(guò)就目前來(lái)看，雖說(shuō)ZNS SSD是一種大勢(shì)所趨不假，但其主要應(yīng)用的場(chǎng)景還是聚焦在可以高度訂制、更新?lián)Q代較快的數(shù)據(jù)中心硬盤。正如Matias告訴量子位：
“如果希望將（ZNS）這種新的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)接口（Interface）在業(yè)界推廣，人們一定會(huì)問(wèn)，為什么要暴露這么多接口，或者會(huì)說(shuō)，我們不愿意這樣改變。這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)了非常多的爭(zhēng)論，隨著獲得的反饋越來(lái)越多，標(biāo)準(zhǔn)也逐漸成熟。當(dāng)云計(jì)算廠商開始部署這項(xiàng)技術(shù)，它就將會(huì)有非常高速的發(fā)展。”
目前業(yè)內(nèi)的研究顯示，無(wú)論是高性能塊存儲(chǔ)EBS，還是通過(guò)SMR磁盤支持的如對(duì)象存儲(chǔ)OSS（網(wǎng)盤的主要存儲(chǔ)類型），都有可能在未來(lái)受益于ZNS協(xié)議體系。
Matias甚至認(rèn)為，由于ZNS本身也能很好支持SMR HDD硬盤，所以此前的存儲(chǔ)開源軟件體系也幾乎可以很快復(fù)用，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)（f2fs，btrfs），或者是開源數(shù)據(jù)庫(kù)軟件（RocksDB, Percona MySQL等），都已經(jīng)發(fā)布了支持ZNS版本。
Matias還告訴我們：“ZNS目前還加速獲得手機(jī)廠商的興趣，新的閃存盤可能會(huì)讓平板和智能手機(jī)的電池續(xù)航更久、單元存儲(chǔ)的價(jià)格更低?！?/p>
或許在不久的將來(lái)，ZNS就會(huì)應(yīng)用到個(gè)人存儲(chǔ)的方方面面。
參考鏈接：
[1]https://nvmexpress.org/everything-you-need-to-know-about-the-nvme-2-0-specifications-and-new-technical-proposals/
[2]http://118.31.189.123/2021/05/06/the-next-step-in-ssd-nvme-zns/
[3]https://hardware.slashdot.org/story/20/11/11/2155246/western-digitals-ultrastar-dc-zn540-is-the-worlds-first-zns-ssd?utm_source=rss1.0mainlinkanon&utm_medium=feed
[4]https://news.samsung.com/global/samsung-introduces-its-first-zns-ssd-with-maximized-user-capacity-and-enhanced-lifespan?utm_source=nr_twitter&utm_medium=social
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