Zoned Namespace (ZNS) SSDs offer a promising interface for stable throughput and low-latency storage by eliminating device-side garbage collection. They expose storage as append-only zones that give the host applications direct control over data placement. However, current ZNS implementations suffer from (a) device-level write amplification (DLWA), (b) increased wear, and (c) interference with host I/O due to zone mapping and management. We identify two primary design decisions as the main cause: (i) fixed physical zones and (ii) full-zone operations that lead to excessive physical writes. We propose SilentZNS, a new zone mapping and management approach that addresses the aforementioned limitations by on-the-fly allocating available resources to zones, while minimizing wear, maintaining parallelism, and avoiding unnecessary writes at the device-level. SilentZNS is a flexible zone allocation scheme that departs from the traditional logical-to-physical zone mapping and allows for arbitrary collections of blocks to be assigned to a zone. We add the necessary constraints to ensure wear-leveling and state-of-the-art read performance, and use only the required blocks to avoid dummy writes during zone reset. We implement SilentZNS using the state-of-the-art ConfZNS++ emulator and show that it eliminates the undue burden of dummy writes by up to 20x, leading to lower DLWA (86% less at 10% zone occupancy), less overall wear (up to 76.9%), and up to 3.7x faster workload execution.


翻译:分区命名空间(Zoned Namespace,ZNS)固态硬盘通过消除设备端垃圾回收,为实现稳定吞吐量与低延迟存储提供了前景广阔的接口。该技术将存储空间暴露为仅追加写入的区域,使主机应用能够直接控制数据布局。然而,当前ZNS实施方案存在以下问题:(a)设备级写入放大(DLWA),(b)磨损加剧,以及(c)因区域映射与管理导致的主机I/O干扰。我们指出两个核心设计决策是主要原因:(i)固定的物理区域划分,以及(ii)全区域操作引发过量物理写入。本文提出SilentZNS——一种创新的区域映射与管理方法,通过动态分配可用资源至区域,在设备层面实现磨损最小化、保持并行性并避免冗余写入,从而解决上述缺陷。SilentZNS采用灵活的区域分配机制,突破传统逻辑-物理区域映射模式,允许将任意数据块集合分配给指定区域。我们引入必要约束条件以确保磨损均衡与顶尖读取性能,并仅使用必需数据块以避免区域重置时的无效写入。基于先进的ConfZNS++模拟器实现SilentZNS,实验表明其可将无效写入负担降低高达20倍,显著减少设备级写入放大(区域占用率10%时降低86%),降低总体磨损(最高76.9%),并使工作负载执行速度提升最高达3.7倍。

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