FairyWREN：一种适用于新兴的读写擦除型闪存接口的可持续缓存解决方案

《ACM Transactions on Storage》：FairyWREN: A Sustainable Cache for Emerging Write-Read-Erase Flash Interfaces

本文提出基于Write-Read-Erase（WREN）接口的Fairy Wren缓存设计，通过整合缓存写入与垃圾回收机制，显著降低闪存写入放大率（达12.5倍），减少碳排放33%和硬件成本35%。研究指出传统LBAD接口因擦除单元与写入粒度不匹配导致高写入放大，而WREN接口允许缓存直接控制擦除单元，结合对象大小与访问热度的智能分组策略，实现高效能、可持续的闪存缓存系统。

　　在数据中心运营中，碳排放问题正日益受到关注。当前数据中心的碳排放量预计将在2038年达到全球排放量的20%，并在2050年达到33%。为了实现净零排放目标，许多公司正在积极采用可再生能源，如太阳能和风能。然而，这种能源转换并未减少数据中心的“隐含碳排放”，即制造、运输和处置组件过程中产生的碳排放。一旦数据中心转向可再生能源，隐含碳排放将占总排放量的80%以上。

由于闪存（Flash）在数据中心存储中的重要性，其隐含碳排放问题尤为突出。闪存虽然在每比特的碳排放方面比动态随机存取存储器（DRAM）低12倍，但由于其有限的写入耐久性，使用闪存进行缓存会带来更大的挑战。新一代闪存密度越高，其写入耐久性却显著下降。这意味着，如果想要利用更高密度的闪存实现可持续性，就必须大幅降低其写入频率。然而，这与当前的缓存设计产生了冲突，因为缓存本质上是写入密集型应用。

当前的闪存缓存系统通常基于传统的逻辑块可寻址设备（LBAD）接口，这种接口隐藏了闪存的内部操作细节，尤其是其擦除机制。为了支持随机写入，LBAD接口需要执行垃圾回收（Garbage Collection, GC），这会引发大量额外的写入操作。因此，即使采用更高密度的闪存，当前缓存设计仍难以实现显著的碳排放减少，因为垃圾回收操作会放大总写入量。

为了克服这一问题，研究人员提出了新的闪存接口，如带区命名空间（ZNS）和灵活数据放置（FDP）。这些新接口允许主机控制数据放置和垃圾回收，从而减少不必要的写入操作。Fairy Wren 作为一种新型的闪存缓存系统，正是基于这些新接口设计的。它通过将缓存的写入操作与垃圾回收统一，大幅减少了总的写入次数，进而降低了闪存的碳排放和成本。

Fairy Wren 的核心设计在于“嵌套打包”（Nest Packing）算法，该算法结合了缓存的写入和垃圾回收过程。当闪存被写入时，无论是来自应用程序还是垃圾回收，都可以视为一个机会，将对象写入缓存。在 LBAD 接口中，垃圾回收和缓存写入是分开进行的，而 Fairy Wren 利用 WREN 接口的特性，将两者统一为一个操作，从而显著减少写入次数。此外，Fairy Wren 还通过将对象按大小和热度分类，进一步优化写入效率。

Fairy Wren 的设计充分考虑了闪存写入耐久性的限制。通过合理的数据放置和垃圾回收策略，它能够有效减少写入操作，延长闪存的使用寿命。例如，在6年生命周期内，Fairy Wren 可以将写入速率降低至14 MB/s，这相当于仅使用0.09%的可用写入带宽。这样的优化使得闪存设备能够更长时间地运行，从而降低单位写入的碳排放和成本。

在实际测试中，Fairy Wren 表现出优于现有技术的性能。它在生产数据中实现了12.5倍的写入减少，相较于现有的研究级缓存 Kangaroo。这种减少不仅提高了闪存的使用寿命，还降低了其碳排放和成本。在模拟和真实 ZNS 闪存设备上，Fairy Wren 的测试结果表明，其碳排放比 Kangaroo 降低了33%，成本降低了35%。

Fairy Wren 的设计思路强调了对闪存特性的深入理解和利用。它不仅优化了写入和垃圾回收的协同，还通过对象热度和大小的分离，减少了不必要的写入操作。这些优化使得 Fairy Wren 能够在不增加额外 DRAM 开销的情况下，显著减少闪存的写入次数，从而提高整体的可持续性。

此外，Fairy Wren 的测试还揭示了闪存接口和缓存设计之间的紧密联系。仅靠新接口无法完全解决写入放大（Write Amplification, WA）问题，必须同时优化缓存设计。通过将垃圾回收与缓存写入结合，Fairy Wren 有效降低了 WA，使得闪存设备能够在更长的生命周期内运行，而不会因为频繁的写入操作而过早损坏。

总的来说，Fairy Wren 的设计不仅解决了传统缓存系统中闪存写入耐久性和碳排放之间的矛盾，还为未来更高密度闪存的广泛应用提供了可能。通过创新的缓存策略和对新闪存接口的充分利用，Fairy Wren 成为了实现数据中心可持续性的关键解决方案之一。