（Table 1:某原廠(chǎng)TLC和QLC性能和壽命對比）

因此，QLC要應用在嵌入式存儲設備上，首先需要解決性能差和壽命短兩大問(wèn)題。

雖然QLC還不到TLC的1/4寫(xiě)入性能，但目前消費級固態(tài)存儲產(chǎn)品都有成熟的SLC cache機制，能保證用戶(hù)有比較好的突發(fā)寫(xiě)入性能（寫(xiě)SLC的性能）。由于嵌入式存儲設備有比較充裕的空閑時(shí)間，存儲設備可以利用空閑時(shí)間把數據從SLC搬到QLC，只要不是重度寫(xiě)入場(chǎng)景，這部分QLC寫(xiě)入性能，用戶(hù)一般感知不到。

但數據一旦寫(xiě)到QLC，對比TLC，用戶(hù)讀取性能變差。針對這個(gè)讀取性能差的問(wèn)題，有一種方案是把熱數據（經(jīng)常讀?。?xiě)回SLC，但這樣無(wú)疑增加了設備復雜性，而且數據搬移帶來(lái)了額外的寫(xiě)放大，這讓壽命本來(lái)就不長(cháng)的QLC“雪上加霜”。

如果說(shuō)性能問(wèn)題可以通過(guò)SLC解決或者緩解，那對于QLC壽命問(wèn)題，在分區存儲引入之前，可能的解決方案有：用戶(hù)端使用類(lèi)F2FS文件系統和使用數據分流。

F2FS文件系統化隨機寫(xiě)為順序寫(xiě)，這會(huì )減少存儲設備內部垃圾回收導致的寫(xiě)放大，但F2FS文件系統本身的垃圾回收，會(huì )給存儲設備帶來(lái)額外的寫(xiě)。綜合下來(lái)，F2FS文件系統給設備帶來(lái)的寫(xiě)放大不一定減少。

數據分流需要主機和設備配合：主機端對數據進(jìn)行冷熱甄別，設備端根據數據的冷熱程度把它們存儲在不同的閃存塊上。數據分流能一定程度上減少存儲設備寫(xiě)放大，但具體能帶來(lái)多大收益，這取決于用戶(hù)冷熱數據的比例，因此有一定的局限性。

今天要介紹減小寫(xiě)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，而且能提升存儲設備性能，讓QLC應用到嵌入式存儲設備上變得可能。

（Figure 1:SMR HDD）

分區存儲設備的邏輯空間被劃分成一個(gè)個(gè)連續的分區，分區內部只能被順序寫(xiě)入。每個(gè)分區都有一個(gè)寫(xiě)指針，用于跟蹤下一次寫(xiě)入的位置。分區中的數據不能被覆蓋，必須首先使用特殊命令（區域重置）擦除數據。

（Figure 2:分區存儲概念）

除了HDD，基于閃存的固態(tài)存儲設備，也是非常喜歡順序寫(xiě)入的，因為順序寫(xiě)性能好，而且導致的寫(xiě)放大也小?！白屩鳈C端順序寫(xiě)入”一直是固態(tài)存儲設備的夢(mèng)想，在SMR HDD助力下，分區存儲生態(tài)日趨完善，NVMe也制定了ZNS（Zoned Namespace）標準，SSD也算是“圓夢(mèng)”了。

分區存儲帶來(lái)的一大好處就是能消除存儲設備內部的垃圾回收。存儲設備垃圾回收會(huì )導致兩個(gè)主要問(wèn)題：一是引入寫(xiě)放大，導致存儲設備壽命減少；二是垃圾回收的同時(shí)如果伴有主機讀寫(xiě)，垃圾回收操作則會(huì )影響主機讀寫(xiě)性能。

（Figure 3:垃圾回收示例）

垃圾回收原理：為騰出空閑閃存塊，需要把有效數據A、B、C從源閃存數據塊搬到新的閃存塊，內部數據的搬移引入寫(xiě)放大。寫(xiě)放大 = 寫(xiě)入閃存的數據量/主機寫(xiě)入的數據量，寫(xiě)放大越大，對閃存磨損越厲害。

如果分區大小是存儲設備閃存塊大小的整數倍，這樣一個(gè)分區的數據會(huì )被寫(xiě)到閃存設備的整數個(gè)閃存塊內。由于分區不允許覆蓋寫(xiě)，一個(gè)分區數據只能被整體無(wú)效掉，也就是意味著(zhù)該分區對應的閃存塊也是整體被無(wú)效掉（上面沒(méi)有任何有效數據），因此存儲設備內部回收閃存塊無(wú)需垃圾回收——只需要一個(gè)擦除動(dòng)作。

傳統垃圾回收由于需要搬移閃存塊上的有效數據，會(huì )導致寫(xiě)放大。還有，為減小寫(xiě)放大和加速垃圾回收，存儲設備都會(huì )預留一些閃存空間（也就是我們常說(shuō)的OP），以減少閃存塊上有效數據數量?，F在分區存儲設備中由于不存在垃圾回收，因此沒(méi)有寫(xiě)放大，同時(shí)這部分OP也可以省掉了（節省成本）。

（Figure 4:傳統SSD數據存放和分區SSD數據存放比較）

分區存儲帶來(lái)的另一大好處就是大大減少了映射表大小，從而提升系統性能，減少存儲設備成本。

基于閃存的傳統存儲設備一般按4KB邏輯塊大小為映射粒度，其L2P映射表（邏輯地址到物理地址的映射）大小一般為存儲設備容量的1/1024，比如一個(gè)512GB的UFS設備，其L2P映射表大小為512MB。企業(yè)級SSD一般都配有相應大小的DRAM來(lái)存儲運行時(shí)的L2P映射表，比如512GB的企業(yè)級SSD需要搭載至少512MB的DRAM；而業(yè)界消費級存儲設備則是出于成本考慮，一般都沒(méi)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(guān)系數據到控制器SRAM。這種DRAM-less的存儲設備，與帶DRAM的存儲設備相比，少了DRAM的成本，但性能無(wú)疑會(huì )大打折扣，因為控制器SRAM大小有限，對隨機讀取場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，映射表緩存命中率很低，固件很多時(shí)候需要先從閃存加載映射關(guān)系，然后再根據獲得的物理地址去讀用戶(hù)數據，也就是說(shuō)讀取一筆數據需要訪(fǎng)問(wèn)幾次閃存，意味著(zhù)讀取性能肯定比只訪(fǎng)問(wèn)一次閃存要慢得多。

問(wèn)題的根因是傳統存儲設備映射粒度太細了，導致映射表巨大。而分區存儲設備，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(gè)512GB的設備有4096個(gè)分區，每個(gè)分區對應的物理地址用4字節表示，那么整個(gè)L2P映射表只有16KB！這么小的映射表完全可以存儲在控制器SRAM中，因此在企業(yè)級SSD中可節省DRAM的使用；對消費級存儲產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，L2P映射表可以常駐內存，無(wú)需從閃存中獲取映射關(guān)系，讀取一筆數據只需訪(fǎng)問(wèn)一次閃存，這大大加速了隨機讀取性能。

（Figure 5:嵌入式存儲協(xié)議發(fā)展路線(xiàn)）

存儲介質(zhì)方面，作為消費級產(chǎn)品，嵌入式存儲設備對成本敏感，隨著(zhù)QLC閃存的成熟，QLC必然會(huì )應用到未來(lái)的嵌入式存儲設備上，無(wú)論是廠(chǎng)商還是消費者，都要做好這個(gè)心理準備。事實(shí)上，今年（2022年）年初鎧俠已經(jīng)發(fā)布了基于QLC的UFS3.1產(chǎn)品。

QLC應用到嵌入式存儲設備上，要讓消費者用得放心，這需要相關(guān)的技術(shù)來(lái)解決QLC介質(zhì)可靠性差、壽命短、性能差等問(wèn)題。因此在技術(shù)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(lái)越強；另一方面，像數據分流、分區存儲這些能減小寫(xiě)放大的技術(shù)也會(huì )被引入，來(lái)彌補QLC壽命短這塊短板。

目前，江波龍具有基于主流3D TLC閃存的豐富的嵌入式存儲產(chǎn)品，從eMMC到高性能UFS3.1，從消費級存儲到車(chē)規級存儲，產(chǎn)品矩陣全面。同時(shí)，公司也在思考怎么把存儲密度更高的QLC應用到嵌入式存儲產(chǎn)品上，并開(kāi)展相關(guān)技術(shù)預研工作。未來(lái)，江波龍會(huì )持續給客戶(hù)帶來(lái)更多超越期望的嵌入式存儲產(chǎn)品。