Flexible Datenplatzierung auf SSDs Was ist Flexible Data Placement (FDP)?

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Flexible Data Placement ist eine Erweiterung der NVMe-Spezifikation. Sie passt den NVMe-Befehlssatz für eine Host-geführte Datenplatzierung auf SSD-Speichern an. Ziel ist es, den Write Amplification Factor beim Schreiben von Daten zu verringern und damit die Notwendigkeit der Überprovisionierung von SSD-Speichern zu reduzieren. FDP soll zu einer besseren Total Cost of Ownership (TCO) für die Bereitstellung von Speicher beitragen.

Die deutsche Übersetzung für Flexible Data Placement, abgekürzt FDP, lautet flexible Datenplatzierung. Es handelt sich um eine im Jahr 2022 veröffentlichte Erweiterung der NVMe-Spezifikation. Maßgeblich beteiligt an der Entwicklung von FDP waren die Unternehmen Meta, Google und Samsung.

Flexible Data Placement erweitert den Befehlssatz des NVMe-Übertragungsprotokolls (Non-Volatile Memory Express) für Daten von Flash-Speicher-basierten Storage-Geräten wie SSDs (Solid State Drives). Der Befehlssatz ermöglicht eine Host-geführte Platzierung der Daten auf den Speichergeräten. Ziel von FDP ist es, die Total Cost of Ownership (TCO) für die Bereitstellung von Speicher zu verbessern.

FDP verringert den Write Amplification Factor (WAF) und reduziert die Notwendigkeit der Überprovisionierung des Flash-Speichers. Zum Einsatz kommen soll die abwärtskompatible Erweiterung des NVMe-Befehlssatzes zum Beispiel für SSD-Storage in Datacentern von Hyperscalern.

Grundsätzliche Funktionsweise von Flexible Data Placement

Beim Schreiben von Daten auf Flash-basierten Speichern wie SSDs tritt der sogenannte Write-Amplification-Effekt auf. Er besagt, dass mehr Daten physisch auf dem Speichergerät geschrieben werden müssen, als vom Host logisch veranlasst. Das Verhältnis zwischen den tatsächlich physisch zu schreibenden und den ursprünglich logisch veranlasst zu schreibenden Daten wird als Write Amplification Factor (WAF) bezeichnet.

Zurückzuführen ist der Write-Amplification-Effekt darauf, dass Daten auf NAND-Flash-basierten Speichergeräten nur seitenweise geschrieben werden können, aber blockweise gelöscht werden müssen. Durch einen einzigen Schreibvorgang können mehrere Vorgänge zum Verschieben und Löschen von Daten ausgelöst werden. Eine hoher WAF reduziert die Performance einer SSD, verkürzt aufgrund der begrenzten maximalen Anzahl von Schreib-/Lesezyklen der Flash-Zellen ihre Lebensdauer und erfordert eine Überprovisionierung der Speicherzellen. Der Write Amplification Factor sollte daher so niedrig wie möglich sein. Optimal wäre eine WAF von eins.

Flexible Data Placement wurde zur Optimierung des WAF entwickelt. Mit FDP lassen sich Daten Host-geführt auf dem Flash-Speicher platzieren. Der Host bestimmt quasi, wo die Daten auf der SSD platziert werden. Ähnliche Daten können in den gleichen Superblock geschrieben werden und sind nicht mehr so stark mit Daten anderer Anwendungen vermischt. Im Optimalfall ist beim Schreiben der Daten einer Applikation immer nur ein bestimmter Datenblock betroffen. Durch die Kooperation von Host und Speichergerät reduziert sich der Write Amplification Factor und kann eine Größenordnung von nur knapp über eins erreichen (üblicherweise liegt er in einem Bereich deutlich größer als zwei).

Vorteile durch das Flexible Data Placement (FDP)

Flexible Data Placement (FDP) bietet unter anderem diese Vorteile:

• Reduktion des Write Amplification Factor,

• Reduktion der Notwendigkeit der Überprovisionierung,

• weniger Schreib-/Lesevorgänge,

• bessere Schreib-/Leseperformance,

• geringerer Energiebedarf,

• längere Lebensdauer der Flash-Speichergeräte,

• Verbesserung der TCO für die Speicherbereitstellung,

• abwärtskompatibel mit den Legacy-Hosts,

• relativ einfach zu implementieren (lässt sich als optionales NVMe-Feature an- oder abschalten).

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