Erase/Program操作对SSD读性能的影响

Erase/Program Suspension是1y以及3D Flash提供的一个新的命令接口。该命令可以在Erase/Program操作过程中将其暂停，然后执行其他的操作，并在某个时间重启之前暂停的操作。这篇文章将简述这种Suspension操作对SSD性能改善所起到的作用。

Erase/Program操作对SSD读性能的影响

和客户级别的SSD不同，企业级的SSD除了顺序读顺序写带宽，随机读随机写的IOPS等指标之外，还有一些稳定性的指标。其中一项重要指标就是IO响应时延的稳定性，或一致性，英文为Latency Consistency。该指标反映IO随测试时间的一个延迟分布情况，分布集中说明稳定性好，IO延迟抖动小；分布离散，说明稳定性差，IO延迟抖动大。IO延迟的抖动，和SSD中IO调度算法有密切的关系。复杂的企业应用，不再是简单读写，大部分都是比较复杂的持续混合IO。持续的写入，势必导致SSD内GC的发生，形成数据搬移，落实到Flash具体操作就是Read/Program/Erase操作。然而当这些SSD内部GC产生的对Flash的Read/Program/Erase操作，和主机Host的IO产生冲突的时候，就会对IO的延迟产生不确定性，导致返回的IO延迟抖动。

GC对于写延迟的抖动，这个是个间接的过程。累积到磁盘写缓冲（DRAM或SRAM）的数据在写入Flash过程中会受到GC的Read/Program/Erase影响。SSD写缓冲如果不能完全吸收这种抖动造成的影响，就会将这种抖动传递到主机Host处，而表现为主机写IO的抖动。图1来自网络。我们知道4k QD1的性能对Latency非常敏感，图1展示了持续写由于GC引发抖动导致写延迟变化导致性能的波动。由于实现算法的差异，每个厂家表现是不一样的。这个也能简介反映厂家设计的功底和算法的优劣。

图1 SSD 4k DQ1持续写入性能延迟表现（来自网络）

GC对于读延迟的抖动则更加明显。主机的读大部分都是从Flash直接读出。理想情况的读延迟为Flash读数据的延迟，这个指标对于Flash来说一般是tR，60-100us不等，加上Controller ECC解码时间以及数据搬运到主机内存的时间，一般来说这部分时间在10-20us。而当一个主机host读遇上一个主机的写导致的Flash的Program或GC的Read/Program/Erase在同样的Flash LUN上面发生冲突，情况就会变得比较糟糕。Flash Program/Erase数据的延迟tPROGt ERASE在ms级别，3D Flash这两项指标更为恶化，tPROG达到平均2-3ms，tERASE达到平均10ms。这将意味这host的这次读访问的延迟将达到ms甚至10ms以上。而平均效果看在这种测试下，读的一致性就表现出大的波动。

为了实际说明问题，这里举出一种场景描述企业应用中Erase/Program操作对实际业务造成的影响。在某种SSD上面以某种方式充分预制后，用以下模拟某种数据库测试的FIO脚本做比较轻量Queue Depth的IO读写混合操作。可见在长时间持续写入的情况，引发GC产生，对性能产生负面的影响。测试的Flash为某厂的3D Flash tPROG基本为2D Flash的1.5-2倍，而tERASE平均已经达到10ms。该3D Flash正常的tR为60-70us之间，而测试中SSD在各个场景下表现的平均Latency已经达到120-140us左右，最大的读Latency已经到10ms以上。这正是主机Host的读和主机写，以及GC的Read/Program/Erase，产生冲突后表现。不难理解主机Host的某个读，被挡在一个刚执行的GC Erase的后面，被Delay近10ms，所表现的比较差的最大读延迟。

表1某种SSD模拟数据库场景的测试效果

Erase/Program Suspension对企业应用的改善

1y以及3D Flash提供了一种称为Erase Suspension和Program Suspension的命令接口。其操作方法是，当Flash内部Array 正在进行Erase或Program操作时，用过这种命令，暂停当前的的Erase或Program操作。暂停成功后的Flash，状态回到Ready状态，可以进行读操作。而在某个时间，可以通过某些命令恢复之前被暂停的操作。

这种方式就为某些被已经下发的Erase或Program挡住的高优先级读，提供了超车的可能。避免了主机Host高优先级读被长时间Erase或Program挡，比较大程度的改善读的最大延迟，同时，平均读延迟也降获得改善。

在同样的SSD测试项目里面，引入这种技术，对比之前的测试用例，已经能观察到比较明显的改善效果。这里在SSD FW里面做了一些更加智能的控制，比如在Host IO压力一定的情况下使用Suspension技术；在高优先级IO被Erase/Program被挡的情况下，判断Erase/Program执行情况，评估当前Erase/Program执行如果完成度比较低则使用Suspension，让后续的高优先级读超车。

表2某种SSD模拟数据库场景应用Erase/Program Suspension后的测试效果

值得注意的是除了Erase/Program Suspension对企业性能的改善，另外对掉电也有很大的帮助。当前3D Flash的Erase时间都很长，在Dirty 掉电场景下，企业级SSD要求将Commit的写缓冲要刷入flash。tERASE的10ms对Dirty 掉电，是非常宝贵的时间，SSD电容一般设计也就能Cover数10ms。所以能够Suspend掉当前耗时的Erase，执行数据的紧急写入是很优必要的。

Erase/Program Suspension技术在SSD控制器应用的考虑

由以上分析Erase/Program Suspension技术的优势是显而易见的。然而Erase/Program Suspension技术操作上面SSD控制器也有一些点需要关注。

Erase/Program Suspension的控制层面在SSD的FW上控制比较困难。当FW下发NAND操作指令到硬件的Flash controller队列中，这个NAND操作指令基本就不受FW控制，其执行状态取决于当前的flash操作状态，以及Flash Controller的调度策略。FW层面很难决定什么时候需要发起或可以发起Erase/Program Suspension。这要求SSD Controller内部的FlashController做更加精细以及智能的控制，例如硬件的Flash Controller需要感知到当前将要执行IO的优先级别，并对正在执行的Erase/program估计完成时间，判断是否值得做Suspension操作。

对于Erase Suspension来说可能增加Cell的PE cycles，这点也是需要考虑的。FW在系统层面需要决定哪些IO遇到Erase/Program挡住的时候，适合执行Suspension，除了根据IO优先级，还要从系统层度预判Suspension的收益。包括当前GC强度，主机Host IO压力强度。比如当大压力的混合读写，GC强度也非常大，频繁的Suspension，也许并不适合，大压力下Suspension对读IO的延迟提升有限，频繁的Suspension可能会过快消耗Cell寿命。Suspension和之后的恢复操作，需要增加FW复杂度，消耗CPU计算时间，而且可能使GC执行不顺畅，对业务造成负面影响。整体上看很可能没有获得所期望的优化效果，反而增大IO的抖动和延迟。

Erase/Program Suspension是Flash厂商应企业级客户需求开放的一种有效改善IO延迟的新命令接口，能在一定程度上缓解3D Flash由于tPROG/tERASE增加而导致的问题。目前市面上已经有一些企业SSD产品声称对Erase/Program Suspension的支持。SSD Controller要用好Erase/Program Suspension，需要HW以及FW，从SSD系统上面做全面的考量。能利用好这项技术，带来SSD产品对实际应用的改善，也需要厂商做比较深入研究。