快閃記憶體陣列的垃圾回收及「寫斷崖」

隨著成本降低和技術進步，快閃記憶體越來越多的被企業級數據中心作為存儲介質使用。相比傳統的磁碟介質，快閃記憶體的優勢顯而易見：速度快，耗電低，省空間。特別在速度方面，快閃記憶體具有壓倒性的優勢。

比方說，客戶原來採用某款高端磁碟陣列的時候，處理某個業務，需要花費10個小時。後來替換為快閃記憶體陣列，同樣處理該業務，只需要2個小時就可以完成。快閃記憶體帶來的性能優勢非常的明顯。

但客戶在使用用快閃記憶體陣列時發現：剛開始處理業務只用2個小時，可是運行了一段時間之後，忽然有一天，客戶發現處理業務用了2小時30分鐘。於是，問題來了，客戶一方面覺得2小時30分鐘比過去的10小時還是快多了，一方面也會想，為啥比起2小時，現在處理作業的時間慢了25%？

由此，我們來了解一下，快閃記憶體中的「寫斷崖（Write-Cliff）」現象。

什麼是垃圾回收？

快閃記憶體是電子類介質，其處理數據的寫入方式和傳統的磁類介質（磁碟或者磁帶）的覆蓋寫不同：新數據寫入的區塊，必須是空白區塊，如果該區塊存有舊數據，那麼必須先對舊數據進行「擦除」（Erase）。尤其是當寫入的數據總量達到快閃記憶體提供的所有容量之後，再次寫入更新時，就必然會產生「擦除」。

相比於常規的讀取和寫入操作，擦除有2個特點。

第一，擦除的速度比讀寫要慢。擦除時間可能是寫入時間的10倍以上，基本達到ms級別；

第二，擦除的處理單位要比讀寫大：讀寫的處理單元是page（一般4KB大小，或者更大），擦除的單元是block（多個page組成，一般不少於512KB）。

如此，極端情況下，要寫入4KB的數據到某個已存有4KB舊數據的區塊，有可能首先先擦除其周邊512KB的區塊空間。

這種將Block中的有效Page合併到一個新的Block中，並將舊的Block進行擦除，留出更多的空閑Block的機制就叫做垃圾回收（Garbage Collection）。垃圾回收就相當於固態硬碟的碎片整理，目前基本已是SSD的標配機制，在全快閃記憶體陣列設計優化中也有涉及。

快閃記憶體「垃圾回收」帶來的「寫斷崖」和「寫放大」

回到文章一開始客戶遇到的性能下降25%的問題，在了解完快閃記憶體垃圾回收的過程之後，就很容易理解了。一台40TB可用容量的快閃記憶體陣列應用到客戶現場，起始都是「乾淨」的空白小塊，寫入速度很快。但隨著數據的不斷更新，必然會出現對應的數據搬運，數據擦除等後台垃圾回收的相關操作，從而提供「乾淨」的小塊給後續的寫入操作。若這些操作若和前端應用程序並行，將可能導致了性能的下降，我們稱之為「寫斷崖(Write-Cliff)」。

「寫斷崖」僅僅是垃圾回收帶來的問題之一。垃圾回收還帶來的另外一個問題，叫做「寫放大」：快閃記憶體的每個Cell（顆粒）都是有寫入次數的壽命限制的。垃圾回收導致了額外的Cell寫入，加速了Cell壽命消耗。我們稱之為「寫放大(Write-Amplification)」。

如何處理「寫斷崖」和「寫放大」

寫斷崖和寫放大都是快閃記憶體介質與生俱來的特性，無論是SSD固態硬碟，還是目前的全快閃記憶體陣列廠商，都無法避免這兩個問題。

快閃記憶體陣列廠商一般會通過介質材料，演算法以及架構的優化等手段，來將這兩種影響控制在一定的範圍內。比如某廠商，通過以下手段來優化寫斷崖的問題：

首先，採用「超供給」（ Over-Provisioning）方式，通過提供更多的顆粒數量（比如用戶可見容量40TB，而實際物理容量超過67TB），用於減緩整體快閃記憶體壽命的磨損，並實現更為靈活的預防性垃圾回收。

同時，採用了靈活的垃圾回收處理機制，配置閑時垃圾回收引擎，從而不佔用處理前端應用數據IO的硬體資源。

最後，通過全局FTL和優化的上層寫入機制，將隨機IO整理順序化，減少底層實際讀寫次數。

此外，還有均衡磨損演算法，監測機制等手段，來優化緩解這兩個問題。

總之，對該問題處理的效果，也是衡量快閃記憶體陣列能力的因素之一。

消除誤區，「寫斷崖」並不可怕

最後，需要說明的是，寫斷崖並不可怕。

即使寫斷崖帶了的性能的降低，但速度降下來之後，若快閃記憶體陣列處理得當，其性能還是要遠遠高於傳統磁碟陣列。好比您以100塊錢的價格買了一種紀念幣，最好的時候紀念幣價格飆升到了300塊錢，但後來降到了280塊錢，並在280塊錢平穩下來。那麼整體來看，收益還是很好的。

所以在對快閃記憶體陣列選型時，一定要搞清楚快閃記憶體陣列廠商是否對該問題進行過優化，並最好讓廠商給出一些有說服力的數據或者測試報告。

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