【ODCC】2024年FDP_SSD技术与应用白皮书_41页_2mb

FDP SSD 技术与应用报告总结

核心内容

FDP（Flexible Data Placement）SSD 是一种新型的 SSD 技术，旨在减少写放大（Write Amplification, WAF）并简化软件生态系统的集成。该技术由三星、Meta 和谷歌共同推动，并在 2022 年被批准为 NVMe 规范的一部分（TP4146）。FDP SSD 通过允许主机端直接参与数据放置和管理，实现了对不同类型数据的分流，从而减少垃圾回收带来的写放大问题。

主要观点

• FDP SSD 的优势：

  • 减少写放大：通过将生命周期相似的数据放在同一个数据流中，避免垃圾回收操作，从而显著降低写放大系数。
  • 简化软件集成：FDP SSD 提供了简单易用的接口，无需对现有软件栈进行大规模改动，即可享受其带来的性能提升。
  • 灵活的数据管理：FDP SSD 支持两种模式：开启 FDP（分流）和关闭 FDP（不分流），在关闭模式下可兼容传统 SSD。

• FDP SSD 的关键特性：

  • Endurance Group：SSD 内部的 NAND 块寿命相同，提供统一的寿命管理。
  • Reclaim Group：用于数据隔离，支持多个 Reclaim Unit 的集合。
  • Reclaim Unit：数据写入的基本单元，大小对性能有重要影响。
  • Reclaim Unit Handle：用于管理数据写入位置，可看作是数据流的入口。
  • 数据放置指令（Data Placement Directive）：通过 DSPEC 字段指定数据写入的 Reclaim Group 和 Reclaim Unit Handle。

• FDP SSD 的适配方式：

  • Linux 内核支持：自 v6.2 起支持 FDP SSD 的 I/O Pass-through 接口。
  • 用户态支持：SPDK（Storage Performance Development Kit）自 v23.05 开始支持 FDP。
  • 文件系统适配：Linux 内核文件系统（如 ext4 和 XFS）正在适配 FDP SSD，以支持数据分流。

• 兼容性验证：

  • 浪潮信息服务器 NF5280M7：使用三星 FDP SSD（PM9D3a）进行了多项兼容性测试，包括基本信息识别、性能测试、压力测试、重启测试和热拔插测试，均显示良好兼容性。
  • FDP 模式下的性能表现：在 FDP 模式下，系统应用在裸盘和文件系统上均表现出显著的写放大收益，具体数据如表所示。

关键信息

一、数据放置 SSD 背景与发展历程

• 写放大问题：在传统 SSD 中，由于垃圾回收机制，写放大是影响 SSD 性能和寿命的重要因素。
• Open-Channel SSD：允许主机控制数据放置，但需要复杂 FTL 实现，且软件生态不够完善。
• ZNS SSD：提供标准接口，支持顺序写，但依然需要主机端软件栈的较大改动。
• FDP SSD：在 Open-Channel 和 ZNS 的基础上提出，提供更灵活的数据管理方式，减少软件改动。

二、FDP SSD 技术详解

• 资源结构：
  • Endurance Group：统一管理 NAND 块寿命。
  • Reclaim Group：数据隔离单元，支持多个 Reclaim Unit。
  • Reclaim Unit：数据写入的基本单元，支持随机写，提升灵活性。
  • Reclaim Unit Handle：管理数据写入位置，实现数据分流。
• 数据放置指令：通过 DSPEC 字段指定写入位置，支持不同生命周期的数据。
• 写放大收益：
  • 裸盘场景：FDP 模式下，写放大几乎为零。
  • 文件系统场景：ext4 和 XFS 文件系统在 FDP 模式下分别降低 40% 和 41% 的写放大。
  • 数据库场景：
    • RocksDB：在 FDP 模式下，写放大下降 52.2%。
    • MySQL：在 FDP 模式下，写放大下降 12.5%。

三、兼容性验证

• 服务器配置：
  • 机型：浪潮信息 NF5280M7
  • BIOS 版本：06.03.01
  • BMC 版本：5.06.00
  • OS 版本：CentOS 7.9 + Kernel 6.1.70
  • CPU：INTEL (R) XEON (R) PLATINUM 8562Y+
  • 内存：Samsung DDR5 4800MHz 64 GB
  • SSD：PM9D3a（支持 FDP 功能）
• 测试项目：
  • 基本信息识别
  • 性能测试（单盘性能、性能一致性）
  • 压力测试（24 小时）
  • 重启测试（200 轮带 IO）
  • 热拔插测试（320 次）
• 测试结论：三星 PM9D3a 在 NF5280M7 上通过所有测试，兼容性良好，仅单盘写性能略有下降。

四、FDP SSD 在不同场景下的写放大收益

• 验证环境：
  • CPU：AMD EPYCTM 7763（128 核）
  • 内存：256 GB
  • 操作系统：Ubuntu 22.04
  • 内核版本：6.8
  • FDP SSD 规格：PM9D3a（7.68 TB，U.2 接口，8 个 Initially Isolated Reclaim Unit Handle，1 个 Reclaim Group）
• FIO 场景：
  • 负载设计：两种数据类型（读写混合、写密集型）
  • FDP 模式下写放大显著降低。
• Filebench 场景：
  • 模拟邮件服务器负载（varmail），测试 FDP 对文件系统写放大的影响。
  • ext4 文件系统在 FDP 模式下写放大降低 17.28%，XFS 降低 8.23%。
• 数据库场景：
  • RocksDB：使用自定义插件与 FDP SSD 交互，写放大下降 52.2%。
  • MySQL：数据按生命周期配置，写放大下降 12.5%。

结论

FDP SSD 是一项具有明显优势和广泛应用前景的 SSD 技术。其通过灵活的数据管理机制和简单的接口设计，有效减少了写放大问题，同时保持了与现有软件生态的兼容性。在多种测试场景下，FDP SSD 显示出良好的性能表现和稳定性，特别是在数据分类和生命周期管理方面。未来，随着 Linux 内核和文件系统的进一步适配，FDP SSD 将在大规模数据中心中发挥更大作用。