儲存月報第20期：SSD架構大翻轉—Open-Channel SSD

正在發展中的Open-Channel SSD架構，可說是當前固態硬碟（SSD） 架構的一次翻轉，把傳統SSD藉由控制器韌體快閃記憶體翻譯層（Flash Translation Layer，FTL）執行的工作，一部份轉移給主機端執行，可幫助克服困擾傳統SSD的寫入放大問題，以及背景作業造成的效能不穩定問題，進而改善SSD的存取延遲與效能，可望成為未來SSD發展的一個新方向。

FTL層的功與過

FTL層是SSD控制器韌體的核心環節，也是讓硬體架構完全不同於硬碟的SSD，得以直接應用在傳統IT架構中的功臣。

SSD的物理組成與存取機制均與硬碟不同，但當前的IT儲存架構，如檔案系統等，都是基於硬碟的特性而設計，無法直接應用到SSD上，所以是透過FTL層的中介，來搭配SSD運作。

如名稱所示，FTL的基本功能是「翻譯」，也就是把SSD的空間「翻譯」 成檔案系統等上層應用看得懂的型式，將SSD模擬成硬碟讓檔案系統、應用程式等上層應用使用。另外，FTL還會針對NAND Flash記憶體的特性，協調與管理資料寫入工作，例如NAND Flash記憶體無法在同一位址進行寫入更新（in-place-update），因此FTL會將重複更新的資料寫入至其他位址存放，配合使用映射表（Mapping table）記錄更新後的位址。當所有區塊都被寫入資料，沒有額外空間可以寫入資料時，FTL會呼叫背景執行的Garbage Collection（GC）動作，來清除不使用的區塊頁面，回收空間以供新資料寫入。

同時，FTL也會進行資料的錯誤校正（Error Correction），檢驗寫入資料的正確性，還會提供平均損耗處理功能，在Flah記憶體區塊間分散寫入負荷，藉此延長Flash記憶體生命週期。

也就是說，正是依靠FTL層，既有的檔案系統與應用程式才能直接使用SSD，FTL也決定了SSD的性能、可靠性與壽命，但FTL的功能與架構也相當複雜，不下於一套檔案系統。

但FTL同時也是制約SSD效能發揮的瓶頸所在，首先是造成寫入放大（write amplification），從主機端的應用程式與檔案系統，到SSD的FTL，整個資料寫入環節的每一層，都會觸發類似的資料完整性保護機制，連帶的一次寫入動作，會被放大許多倍，最上層應用程式寫入的1筆資料，實際落到底層SSD上時，會變成幾十倍甚至上百倍大。另外FTL在背景執行的Garbage Collection作業，也會導致SSD產生額外寫入動作，給效能帶來難以預測的影響。

Open-Channel SSD的基本概念

要克服傳統SSD FTL層的副作用，一個思路是把FTL的部份工作轉到上層的主機端去執行，讓上層的系統能直接定址寫入SSD的區塊頁面，並執行Garbage Collection等背景作業，藉此得到許多效益。

一來，應用程式可以繞開檔案系統與FTL層，把原本需經過3層的寫入作業合併為1層，避免寫入放大。

二來，上層系統可以繞開FTL層的重新映射，直接得知底層各NAND Flash晶片的狀態，可實現I/O隔離。

其他優點還包或可提供更低、且可預測的延遲，改善寫入效能，從而提高SSD整體性能，以及大幅簡化SSD的控制器架構等。

在Open-Channel SSD架構問世之前，前述「把部份FTL工作移到上層系統」概念，其實很早就被應用在部份全快閃儲存陣列產品，以及SSD裝置上。

多數全快閃儲存陣列產品，都是由SSD自身來執行Flash記憶體頁面管理，以及Garbage Collection、Flash記憶體層次的損耗均衡等背景作業，但有部份全快閃儲存廠商則有不同做法，認為不應該在SSD這一層來執行這些背景作業，而應該由儲存陣列系統介入，幫助SSD管理Flash記憶體區塊頁面，並在儲存陣列系統層執行Garbage Collection等背景工作，至於底層只需要最簡單的「裸」SSD即可，藉此還能減少容量超額供應（Overprovisioning）的需求，並降低SSD的複雜性與成本。

早期有些SSD裝置也是採用這個概念，不是由SSD控制器，而是由安裝在作業系統中的驅動程式軟體，來執行位址映射與背景作業。

開放的Open-Channel SSD標準

「把部份FTL工作移到SSD之外，由上層系統執行」的概念，雖然已應用在部份全快閃儲存陣列產品上，但這些產品都是使用自身專屬的儲存系統平臺，搭配專門訂製的SSD硬體來實作這個架構，難以推廣與普及。而Open-Channel SSD的出現，目的正是要把這個概念開放化與通用化，利用開放的標準，來普及這種新的SSD架構。

Open-Channel SSD的標準已發布了2個版本，首先是2016年4月的1.2版，然後是2018年1月的2.0版。配合Open-Channel SSD架構，也出現了一個搭配Linux環境的LightNVM軟體，目前LightNVM已被納入Linux Kernel，可結合Linux Kernel的物理區塊層（Physical Block Device，pblk），存取與管理Open-Channel SSD裝置。

目前無論Open-Channel SSD還是LightNVM，都還在早期發展階段，不過今年初傳出一起實用化的消息，那就是中國的阿里巴巴，在今年3月推出了一款AliFlash V3雙模式SSD產品，聲稱藉由其專屬的Fusion Engine儲存引擎，可同時支援既有的NVMe架構，以及Open-Channel SSD架構，既可由SSD控制器來執行FTL作業，也能改由主機端來執行FTL。

Open-Channel SSD的基本概念

傳統SSD的控制器韌體，必須執行資料定位（Data Placement）、I/O排序（I/O Scheduling）與背景作業（Background Operation）、損耗均衡（Wear-Leveling）、Metadata管理、錯誤處理（Error Handling）、XOR、ECC運算，以及SMART健康監控等作業，功能相當複雜。前端主機也不是直接存取SSD記憶體區塊（block）的頁面（page），而是存取經由FTL層轉換的邏輯區塊定址空間。

而Open-Channel SSD的基本概念，則是把資料定位、I/O排序與背景作業等幾項韌體核心功能，轉到主機端去執行，SSD本身的控制器只保留最基本的硬體監控管理功能，成為一種「裸」的SSD，不再承擔複雜的處理功能。而主機端則透過LightVM之類的中介軟體，來存取Open-Channel SSD。

資料來源：CNEX Lab