SSD แบบ ZNS คืออะไร ? SSD แบบใหม่ เร็วกว่าเดิมมากแค่ไหน ?

SSD แบบ ZNS คืออะไร ? SSD แบบใหม่ เร็วกว่าเดิมมากแค่ไหน ?

หากพูดถึง อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบ SSD นั้นเป็นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่เป็นที่นิยมในปัจจุบัน และมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง แต่ในช่วงเวลา 2 ปีที่ผ่านมา อีกหนึ่งเทคโนโลยีใหม่ที่กำลังได้รับความสนใจเช่นกันก็คือ ZNS SSD (Zoned Namespace SSD) ที่ถูกออกแบบมาสำหรับเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเก็บ และอ่านข้อมูลให้เสถียร และทนทานมากขึ้น

แต่ว่า SSD แบบ ZNS คืออะไร ? และ มันเร็วกว่า SSD ที่เราคุ้นเคยกันดี หรือไม่ ? ในบทความนี้จะพาทุกคนไปรู้จักกับเทคโนโลยี ZNS อย่างละเอียดไม่าว่าจะเป็นความหมาย และ หลักการทำงานของมัน พร้อมเปรียบเทียบความแตกต่างกับ SSD แบบเดิม เพื่อตอบคำถามที่เราสงสัยกัน ...

ZNS SSD คืออะไร ? (What is ZNS SSD ?)

ZNS SSD (Zoned Namespace SSD) คือเทคโนโลยีจัดเก็บข้อมูลรูปแบบใหม่ ที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ SSD โดยใช้แนวคิดของ Zoned Storage ซึ่งให้เข้าใจง่าย ๆ คือเป็นการแบ่งพื้นที่เก็บข้อมูลออกเป็น "โซน" และแต่ละโซนสามารถเขียนข้อมูลได้แบบเรียงตามลำดับ (Sequential Write) เท่านั้น ต่างจาก SSD ทั่วไปที่สามารถเขียนทับข้อมูลได้โดยตรง

ภาพจาก : https://semiconductor.samsung.com/news-events/news/samsung-introduces-its-first-zns-ssd-with-maximized-user-capacity-and-enhanced-lifespan/

โดยปกติแล้ว SSD ทั่วไปจะใช้ระบบจัดการข้อมูลภายในที่เรียกว่า Flash Translation Layer (FTL) ซึ่งช่วยให้สามารถอ่าน และเขียนข้อมูลได้อย่างอิสระ แต่กระบวนการนี้ก็จะก่อให้เกิดปัญหาที่เรียกว่า Write Amplification หรือการเขียนข้อมูลซ้ำซ้อน ซึ่งทำให้ SSD นั้นเสื่อมสภาพเร็วขึ้น นอกจากนี้ยังต้องมี Over-Provisioning หรือการสำรองพื้นที่ว่างไว้เพื่อช่วยจัดการข้อมูลที่ถูกเขียน และลบตลอดเวลาอีกด้วย

เป็นผลให้ ZNS SSD ได้เข้ามาแก้ปัญหานี้ เปลี่ยนแนวทางการจัดการข้อมูลใหม่ แทนที่จะปล่อยให้ SSD ควบคุมกระบวนการอ่าน และเขียนเอง ZNS SSD จะให้ซอฟต์แวร์ของระบบปฏิบัติการ หรือแอปพลิเคชันต่าง ๆ เป็นผู้กำหนดการจัดวางข้อมูลแทน ทำให้สามารถลดภาระของ SSD และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมระบบได้นั่นเอง

ZNS SSD ทำงานอย่างไร ? (How does ZNS SSD work ?)

ZNS SSD (Zoned Namespace SSD) มีแนวคิดการทำงานที่แตกต่างจาก SSD แบบเดิม ตามที่ได้บอกไว้ก่อนหน้า โดยใช้วิธีแบ่งพื้นที่เก็บข้อมูลออกเป็น "โซน" (Zones) ซึ่งส่งผลให้การเขียน และจัดการข้อมูลเป็นระเบียบมากขึ้น

ภาพจาก : https://zonedstorage.io/docs/introduction/zns

ปกติแล้ว SSD ทั่วไป สามารถเขียนข้อมูลลงที่ใดก็ได้ และเมื่อต้องการอัปเดตข้อมูลที่มีอยู่เดิม ระบบจะต้อง ย้ายข้อมูลเก่าไปที่ตำแหน่งใหม่ ก่อนจะเขียนข้อมูลใหม่ลงไป ซึ่งกระบวนการนี้ทำให้เกิดปัญหาที่เรียกว่า Write Amplification ง่าย ๆ คือ ทุกครั้งที่มีการเขียนข้อมูลใหม่ SSD ต้องทำงานหนักขึ้นกว่าที่ควรจะเป็น เพราะต้องจัดเรียง และเคลื่อนย้ายข้อมูลที่เกี่ยวข้องไปด้วย ซึ่งนอกจากจะทำให้ประสิทธิภาพลดลง ยังทำให้อายุการใช้งานของ SSD สั้นลงอีกด้วย

ภาพจาก : https://www.tuxera.com/blog/what-is-write-amplification-why-is-it-bad-what-causes-it/

ZNS SSD แก้ปัญหานี้โดยกำหนดให้การเขียนข้อมูลต้องเป็นแบบ เรียงตามลำดับ (Sequential Write Only) เท่านั้น หมายความว่า ข้อมูลจะถูกเขียนต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ ตามลำดับที่กำหนดไว้ ไม่สามารถเขียนทับตำแหน่งที่มีข้อมูลเดิมอยู่ได้โดยตรง และหากต้องการลบข้อมูลในโซนใดโซนหนึ่ง จะต้องใช้คำสั่ง Reset Zone เพื่อล้างข้อมูลทั้งโซนก่อน แล้วจึงสามารถเขียนข้อมูลใหม่ลงไปได้

อีกทั้ง ZNS SSD ยังช่วยลดความจำเป็นในการใช้ Over-Provisioning ซึ่งก็คือ พื้นที่สำรองที่ SSD โดยปกติแล้ว SSD แบบดั้งเดิมจะต้องเผื่อพื้นที่ว่างไว้บางส่วน เพื่อช่วยให้คอนโทรลเลอร์สามารถเคลื่อนย้ายข้อมูล และบริหารจัดการเซลล์หน่วยความจำได้ แต่ด้วยหลักการทำงานของ ZNS ที่ควบคุมการจัดเก็บข้อมูลได้ดีกว่า ทำให้ SSD ไม่ต้องสำรองพื้นที่มากเหมือนเดิม ส่งผลให้สามารถใช้พื้นที่ได้อย่างคุ้มค่ามากขึ้น เพิ่มพื้นที่ใช้งานจริงได้ถึง 20%

ภาพจาก : https://medium.com/@reefland/over-provisioning-ssd-for-increased-performance-and-write-endurance-142feb015b4e

ZNS SSD เร็วแค่ไหน ? (How fast is ZNS SSD ?)

มาถึงจุดที่เราสงสัยกันว่า ZNS SSD เร็วแค่ไหน ? ความเร็วของ ZNS SSD ไม่ได้วัดจากตัวเลขความเร็วสูงสุดเพียงอย่างเดียว แต่เน้นที่ความเสถียรของประสิทธิภาพ และความสามารถในการจัดการข้อมูลของมัน SSD แบบเดิมที่ต้องใช้ Over-Provisioning (OP) หรือพื้นที่สำรอง ประมาณ 7-28% เพื่อช่วยบริหารตัวเซลล์ และลด Write Amplification (WAF) แต่ ZNS SSD สามารถลดการใช้ OP ลงเหลือ 0% ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ใกล้เคียงกัน

จากการทดสอบ Write Throughput Benchmark ของเว็บไซต์ SNIA พบว่า SSD ทั่วไปที่มีพื้นที่ Over-Provisioning 7% สามารถเขียนข้อมูลได้สูงสุดเพียง 236 MB/s เท่านั้น เนื่องจากกระบวนการ Garbage Collection (GC) หรือ การจัดการข้อมูลขยะใน SSD ทำให้ความเร็วลดลงเมื่อใช้งานไปต่อเนื่อง

ภาพจาก : https://snia.org/sites/default/files/SDC/2020/075-Bj%C3%B8rling-Zoned-Namespaces-ZNS-SSDs.pdf

ในขณะที่ ZNS SSD สามารถเขียนข้อมูลได้มากกว่า 1 GB/s โดยไม่มีปัญหาเรื่องความเร็วตก แม้ว่าจะไม่มี Over-Provisioning เลยก็ตาม นั่นเป็นเพราะ ZNS SSD จัดเก็บข้อมูลอย่างเป็นระเบียบ ลดปัญหา Write Amplification หรือการเขียนข้อมูลซ้ำซ้อน ซึ่งช่วยลดภาระของ SSD และช่วยให้ใช้งานได้นานขึ้นกว่าปกติ

ภาพจาก : https://snia.org/sites/default/files/SDC/2020/075-Bj%C3%B8rling-Zoned-Namespaces-ZNS-SSDs.pdf

อีกจุดเด่นสำคัญของ ZNS SSD คือ ค่าความหน่วง (Latency) ต่ำกว่ามาก จากผลการทดสอบ พบว่า ZNS SSD มีค่าความหน่วงในการอ่านข้อมูลดีกว่า SSD ทั่วไปถึง 57% ทำให้สามารถเข้าถึงข้อมูลได้รวดเร็วยิ่งขึ้น เหมาะสำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น ใน ศูนย์ข้อมูล (Data Center), งานประมวลผล ปัญญาประดิษฐ์ (AI) และ การเรียนรู้ของเครื่องจักร (Machine Learning) รวมถึงการทำ เก็บข้อมูลบนคลาวด์ (Cloud Storage) ด้วย

สรุปแล้ว แม้ว่า ZNS SSD อาจไม่ได้เร็วกว่า SSD NVMe รุ่นเรือธงมากนัก ในแง่ของตัวเลขความเร็วสูงสุด แต่จุดแข็งอยู่ที่ความเสถียรในการทำงาน ที่ลดภาระของคอนโทรลเลอร์ และช่วยยืดอายุการใช้งานของ SSD ได้อย่างดีมาก ๆ จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะกับงานที่ต้องการความเร็วควบคู่ไปกับความทนทานในระยะยาวนั่นเอง

เปรียบเทียบ ZNS SSD กับ SSD แบบดั้งเดิม (ZNS SSD vs Conventional SSD)

ZNS SSD อาจไม่ได้เร็วกว่า SSD แบบเดิมอย่างเห็นได้ชัดในแง่ของตัวเลขสูงสุด แต่มันก็ให้ความเสถียรที่ดีกว่า, ลดการใช้ทรัพยากร และช่วยให้ SSD มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น เราลองมาดูตารางสรุปที่เทียบให้เห็นความต่างของ ZNS SSD กับ SSD แบบเดิม กัน

บทสรุป : อนาคตของ ZNS SSD (Conclusion : Future of ZNS SSD)

เนื่องจาก ZNS SSD ให้ความเสถียรในการอ่าน และเขียนข้อมูล ยืดอายุการใช้งานของ SSD ได้มากขึ้น ทำให้มันเหมาะกับงานที่ต้องการจัดเก็บ และเข้าถึงข้อมูลจำนวนมาก โดยเฉพาะใน ศูนย์ข้อมูล, งาน AI/ML และระบบฐานข้อมูลขนาดใหญ่ ที่ต้องรองรับการเขียนข้อมูลต่อเนื่อง

ภาพจาก : https://news.samsung.com/global/samsung-and-western-digital-begin-far-reaching-collaboration-to-drive-standardization-of-next-generation-storage-technologies-for-broader-ecosystem-support-and-customer-adoption

แม้ว่า ZNS SSD จะยังไม่ได้เป็นมาตรฐานหลักของตลาด SSD แต่แนวโน้มของอุตสาหกรรมกำลังมุ่งไปสู่เทคโนโลยี ZNS เพราะประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และลดต้นทุนระยะยาว หลายแพลตฟอร์ม เช่น Linux Kernel 5.9, Btrfs, ZoneFS และ Ceph ได้เริ่มรองรับ ZNS แล้ว​ ซึ่งหมายความว่าในอนาคต ZNS SSD จะถูกนำมาใช้ในระบบขนาดใหญ่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

โดยสรุป ZNS SSD อาจไม่ใช่ SSD ที่เร็วที่สุดในแง่ของตัวเลข MB/s แต่เป็นอีกหนึ่งวิธีการที่ช่วยเพิ่มความเสถียร และช่วยให้ SSD ใช้งานได้นานขึ้น จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับองค์กร หรือผู้ใช้งานที่ต้องการความคุ้มค่าทั้งด้านประสิทธิภาพ และความคุ้มค่าในระยะยาวนั่นเอง