背景
目前應用在移動終端的嵌入式儲存設備（這裡主要指UFS/eMMC等，以下統稱“嵌入式儲存設備”）中主流媒體還是TLC。但更高存儲密度的QLC也已經産品化，比如一些資料中心（讀密集型應用）已經在部署QLC儲存設備。QLC可以給儲存設備帶來更低的成本，作為消費級産品的嵌入式儲存設備，未來引入QLC也是勢在必行。
但和目前主流TLC相比，QLC在性能和壽命上都相差很大，從下面某原廠TLC和QLC在性能和壽命方面的一個對比可見一斑。
（Table 1:某原廠TLC和QLC性能和壽命對比）
是以，QLC要應用在嵌入式儲存設備上，首先需要解決性能差和壽命短兩大問題。
雖然QLC還不到TLC的1/4寫入性能，但目前消費級固态存儲産品都有成熟的SLC cache機制，能保證使用者有比較好的突發寫入性能（寫SLC的性能）。由于嵌入式儲存設備有比較充裕的空閑時間，儲存設備可以利用空閑時間把資料從SLC搬到QLC，隻要不是重度寫入場景，這部分QLC寫入性能，使用者一般感覺不到。
但資料一旦寫到QLC，對比TLC，使用者讀取性能變差。針對這個讀取性能差的問題，有一種方案是把熱資料（經常讀取）寫回SLC，但這樣無疑增加了裝置複雜性，而且資料搬移帶來了額外的寫放大，這讓壽命本來就不長的QLC“雪上加霜”。
如果說性能問題可以通過SLC解決或者緩解，那對于QLC壽命問題，在分區存儲引入之前，可能的解決方案有：使用者端使用類F2FS檔案系統和使用資料分流。
F2FS檔案系統化随機寫為順序寫，這會減少儲存設備内部垃圾回收導緻的寫放大，但F2FS檔案系統本身的垃圾回收，會給儲存設備帶來額外的寫。綜合下來，F2FS檔案系統給裝置帶來的寫放大不一定減少。
資料分流需要主機和裝置配合：主機端對資料進行冷熱甄别，裝置端根據資料的冷熱程度把它們存儲在不同的閃存塊上。資料分流能一定程度上減少儲存設備寫放大，但具體能帶來多大收益，這取決于使用者冷熱資料的比例，是以有一定的局限性。
今天要介紹減小寫放大的終極大招——分區存儲（Zoned Storage），它能消除QLC和TLC壽命之間的差異，而且能提升儲存設備性能，讓QLC應用到嵌入式儲存設備上變得可能。
什麼是分區存儲？
分區存儲概念最早來源于SMR HDD。SMR是“Shingled Magnetic Recording”（疊瓦式磁記錄）的首字母縮寫，是一種用于增加容量并降低硬碟每TB成本的重要技術。SMR硬碟把硬碟分成一個個的分區（Zone），每個分區内部必須順序寫，否則會發生資料覆寫進而導緻之前寫入的資料丢失問題。
（Figure 1:SMR HDD）
分區儲存設備的邏輯空間被劃分成一個個連續的分區，分區内部隻能被順序寫入。每個分區都有一個寫指針，用于跟蹤下一次寫入的位置。分區中的資料不能被覆寫，必須首先使用特殊指令（區域重置）擦除資料。
（Figure 2:分區存儲概念）
除了HDD，基于閃存的固态儲存設備，也是非常喜歡順序寫入的，因為順序寫性能好，而且導緻的寫放大也小。“讓主機端順序寫入”一直是固态儲存設備的夢想，在SMR HDD助力下，分區存儲生态日趨完善，NVMe也制定了ZNS（Zoned Namespace）标準，SSD也算是“圓夢”了。
分區存儲帶來的好處
分區存儲帶來的一大好處就是能消除儲存設備内部的垃圾回收。儲存設備垃圾回收會導緻兩個主要問題：一是引入寫放大，導緻儲存設備壽命減少；二是垃圾回收的同時如果伴有主機讀寫，垃圾回收操作則會影響主機讀寫性能。
（Figure 3:垃圾回收示例）
垃圾回收原理：為騰出空閑閃存塊，需要把有效資料A、B、C從源閃存資料塊搬到新的閃存塊，内部資料的搬移引入寫放大。寫放大 = 寫入閃存的資料量/主機寫入的資料量，寫放大越大，對閃存磨損越厲害。
分區存儲怎麼就能消除儲存設備垃圾回收的呢？
如果分區大小是儲存設備閃存塊大小的整數倍，這樣一個分區的資料會被寫到閃存裝置的整數個閃存塊内。由于分區不允許覆寫寫，一個分區資料隻能被整體無效掉，也就是意味着該分區對應的閃存塊也是整體被無效掉（上面沒有任何有效資料），是以儲存設備内部回收閃存塊無需垃圾回收——隻需要一個擦除動作。
傳統垃圾回收由于需要搬移閃存塊上的有效資料，會導緻寫放大。還有，為減小寫放大和加速垃圾回收，儲存設備都會預留一些閃存空間（也就是我們常說的OP），以減少閃存塊上有效資料數量。現在分區儲存設備中由于不存在垃圾回收，是以沒有寫放大，同時這部分OP也可以省掉了（節省成本）。
（Figure 4:傳統SSD資料存放和分區SSD資料存放比較）
分區存儲帶來的另一大好處就是大大減少了映射表大小，進而提升系統性能，減少儲存設備成本。
基于閃存的傳統儲存設備一般按4KB邏輯塊大小為映射粒度，其L2P映射表（邏輯位址到實體位址的映射）大小一般為儲存設備容量的1/1024，比如一個512GB的UFS裝置，其L2P映射表大小為512MB。企業級SSD一般都配有相應大小的DRAM來存儲運作時的L2P映射表，比如512GB的企業級SSD需要搭載至少512MB的DRAM；而業界消費級儲存設備則是出于成本考慮，一般都沒有DRAM，它利用控制器小的SRAM緩存部分L2P映射表，而絕大多數L2P映射表都是存在閃存，固件按需從閃存加載映射關系資料到控制器SRAM。這種DRAM-less的儲存設備，與帶DRAM的儲存設備相比，少了DRAM的成本，但性能無疑會大打折扣，因為控制器SRAM大小有限，對随機讀取場景來說，映射表緩存命中率很低，固件很多時候需要先從閃存加載映射關系，然後再根據獲得的實體位址去讀使用者資料，也就是說讀取一筆資料需要通路幾次閃存，意味着讀取性能肯定比隻通路一次閃存要慢得多。
問題的根因是傳統儲存設備映射粒度太細了，導緻映射表巨大。而分區儲存設備，我們可以按照分區大小為映射粒度。假設分區大小為128MB，一個512GB的裝置有4096個分區，每個分區對應的實體位址用4位元組表示，那麼整個L2P映射表隻有16KB！這麼小的映射表完全可以存儲在控制器SRAM中，是以在企業級SSD中可節省DRAM的使用；對消費級存儲産品來說，L2P映射表可以常駐記憶體，無需從閃存中擷取映射關系，讀取一筆資料隻需通路一次閃存，這大大加速了随機讀取性能。
（Table 2:傳統儲存設備和分區儲存設備映射對比）
分區存儲助力QLC嵌入式儲存設備
回到QLC應用到嵌入式儲存設備的話題。
在傳統嵌入式儲存設備中，垃圾回收一般會引入3-4的寫放大，即一個3000次擦寫次數的TLC閃存，真正給到使用者的擦寫次數可能不到1000次。而分區存儲的使用，由于不存在垃圾回收，是以寫放大可以做到接近1，也就是一個1500次擦寫次數的QLC，給到使用者就是實打實的1500次。這意味着：傳統用3000次擦寫次數TLC的儲存設備，假設TBW為100TB，現在如果用QLC，雖然QLC的擦寫次數隻有TLC的一半，但由于分區存儲的使用，TBW反而能提升到150TB。
對分區儲存設備，由于L2P映射表很小，完全能夠存放在控制器SRAM，是以可快速更新和擷取映射關系，進而大幅提升系統讀寫性能。傳統基于TLC的嵌入式儲存設備，在随機讀取一筆資料(4KB)的時候，由于L2P映射緩存很小（幾百KB），固件大機率要先從閃存上加載L2P映射關系，這個時間大概40us左右，然後再花60us左右的時間從閃存加載使用者資料——随機讀取一筆資料的時間大概需要花100us左右；而現在基于分區存儲的嵌入式儲存設備，由于省掉了加載映射關系的時間，雖然讀取閃存的時間QLC要比TLC長，但總的時間下來，兩者是相當的。
由于分區儲存設備的使用，再加上成熟的SLC緩存機制，這兩大特性彌補了QLC壽命短和性能差兩大短闆，讓QLC應用到嵌入式儲存設備上變得可行。現在典型的嵌入式儲存設備為UFS裝置，如果引入了分區存儲，像UFS中的HPB、FBO等特性完全可以抛棄，這也無疑簡化了UFS裝置的設計。
嵌入式儲存設備技術展望
前端接口協定方面，應用于安卓平台上的嵌入式儲存設備目前主流是UFS裝置，相信未來很長一段時間也會沿着UFS路線繼續向前。UFS4.0協定今年8月份釋出，三星早前也釋出了UFS4.0儲存設備。
（Figure 5:嵌入式存儲協定發展路線）
存儲媒體方面，作為消費級産品，嵌入式儲存設備對成本敏感，随着QLC閃存的成熟，QLC必然會應用到未來的嵌入式儲存設備上，無論是廠商還是消費者，都要做好這個心理準備。事實上，今年（2022年）年初铠俠已經釋出了基于QLC的UFS3.1産品。
QLC應用到嵌入式儲存設備上，要讓消費者用得放心，這需要相關的技術來解決QLC媒體可靠性差、壽命短、性能差等問題。是以在技術趨勢方面，一方面是嵌入式存儲控制器糾錯能力需要變得越來越強；另一方面，像資料分流、分區存儲這些能減小寫放大的技術也會被引入，來彌補QLC壽命短這塊短闆。
目前，江波龍具有基于主流3D TLC閃存的豐富的嵌入式存儲産品，從eMMC到高性能UFS3.1，從消費級存儲到車規級存儲，産品矩陣全面。同時，公司也在思考怎麼把存儲密度更高的QLC應用到嵌入式存儲産品上，并開展相關技術預研工作。未來，江波龍會持續給客戶帶來更多超越期望的嵌入式存儲産品。
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