Evaluation of Data Placement Strategies in FDP SSDs = FDP SSD의 데이터 배치 전략 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solid-state drives (SSDs) are widely deployed in systems where device lifetime and operational efficiency directly affect the system cost and sustainability. A key lever for optimization is the Write Amplification Factor (WAF), the ratio of physical to host writes. The NVMe Flexible Data Placement (FDP) standard provides a powerful mechanism to control WAF by allowing the host to direct writes to specific Reclaim Groups (RGs) and Reclaim Unit Handles (RUHs). This capability enables fine-grained hot/cold data segregation and isolated, group-local Garbage Collection (GC).
However, FDP-capable SSDs, especially those with multi-RG support, are not yet widely available, which hinders the systematic evaluation of placement policies. To address this issue, we extended NVMeVirt, a software-defined NVMe device emulator, to support FDP semantics. We implemented per-(RG,RUH) append pointers and a per-RG GC architecture, enabling controlled and repeatable experiments to analyze various data placement strategies in a hardware-free setting.
The result of a comprehensive evaluation across three levels (raw-device, filesystem and application ones) demonstrates the effectiveness of FDP-based placement. Our experiments yield significant WAF reductions of 51%, 10.8%, and 29.7%, respectively, accompanied by a 39% throughput increase at the raw-device level. Furthermore, under a lifetime-aware sustainability model, annual carbon emissions (kgCO2e/yr) decrease in direct proportion to these WAF reductions. Consequently, this work quantifies the impact of FDP placement policies on endurance, performance, and sustainability.

국문 초록 (Abstract)

SSD는 장치 수명과 운영 효율이 시스템 비용 및 지속 가능성에 직접적인 영향을 미치는 다양한 시스템에서 널리 사용되고 있다. 최적화를 위한 핵심 지표는 물리적 쓰기량 대비 호스트 쓰기량의 비율인 쓰기 증폭 계수(WAF)이다. NVMe Flexible Data Placement(FDP) 표준은 호스트가 쓰기 작업을 특정 Reclaim Group(RG) 및 Reclaim Unit Handle(RUH)로 지정할 수 있게 하여 WAF를 제어하는 강력한 메커니즘을 제공한다. 이를 통해 세밀한 핫/콜드 데이터 분리와 그룹 단위의 독립적인 가비지 컬렉션(GC)이 가능하다.
그러나 다중 RG를 지원하는 FDP 호환 SSD는 아직 상용화가 제한적이어서, 다양한 배치 정책을 체계적으로 평가하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 소프트웨어 정의 NVMe 장치 에뮬레이터인 NVMeVirt를 확장하여 FDP 동작을 지원하도록 하였다. (RG, RUH) 별 append 포인터와 RG 단위의 GC 아키텍처를 구현함으로써, 하드웨어 없는 환경에서도 다양한 데이터 배치 전략을 분석할 수 있는 통제되고 재현 가능한 실험 환경을 구축하였다.
세 단계(Raw-device, 파일시스템, 애플리케이션)에 걸친 종합적인 평가 결과는 FDP 기반 배치의 효용성을 입증한다. 실험 결과, 각 단계에서 51%, 10.8%, 29.7%의 유의미한 WAF 감소를 확인하였으며, Raw-device 단계에서는 39%의 처리량 향상을 보였다. 또한 수명 기반 지속 가능성 모델을 적용했을 때, 연간 탄소 배출량(kgCO2e/yr)은 이러한 WAF 감소에 비례하여 감소함을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 FDP 배치 정책이 내구성, 성능 및 지속 가능성에 미치는 영향을 정량적으로 규명하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures vi
• Chapter 1 Introduction 1
• Chapter 2 Background 5
• 2.1 Write Amplification Factor (WAF) 5
• 2.1.1 Determinants and Behavior 6
• 2.1.2 Measurement and Interpretation 6
• 2.1.3 Implications and Controls 7
• 2.2 Flexible Data Placement (FDP) 7
• 2.2.1 Isolation Modes 9
• 2.2.2 Policy Hooks for Hosts 10
• 2.2.3 Control and Observability 11
• 2.2.4 Operational Considerations 11
• 2.3 NVMeVirt 12
• Chapter 3 Design and Implementation 15
• 3.1 PID-based Allocation and Data Placement 16
• 3.2 Group-Local Garbage Collection 17
• 3.3 Correctness and Invariants 19
• 3.4 Configuration and Initialization 20
• 3.5 Host Integration and Telemetry 21
• Chapter 4 Evaluation 22
• 4.1 Setup 23
• 4.2 Workloads and Metrics 23
• 4.3 Raw Device-Level Evaluation 24
• 4.3.1 Effect of RUH Granularity (Intra-Group Isolation) 25
• 4.3.2 Effect of RG Isolation (Inter-Group Isolation) 26
• 4.3.3 Summary of Gains 27
• 4.4 Filesystem-Level Evaluation 27
• 4.5 Application-Level Evaluation: filebench OLTP 29
• 4.5.1 Carbon Emissions Modeling 31
• 4.5.2 Operational Emissions (Cop,yr) 31
• 4.5.3 Annualized Embodied Emissions (Cemb,yr) 32
• 4.5.4 The Implication: A Linear Relationship 33
• Chapter 5 Discussion 34
• 5.1 Threats to Validity 34
• 5.1.1 Workload Representativeness 34
• 5.1.2 Parameter Choices for Sustainability Model 35
• 5.1.3 Hardware Availability and Feature Scope 35
• 5.2 Scope and Applicability 36
• 5.2.1 Where FDP Helps Most 36
• 5.2.2 Choosing RG and RUH Granularity 36
• 5.2.3 Implications for Device Design and Operation 37
• 5.2.4 Overheads and Practical Considerations 37
• 5.2.5 Persistently Isolated Mode 38
• Chapter 6 Related Work 39
• 6.1 Emulation and Simulation for Flash/NVMe Research 39
• 6.2 Early Studies on FDP-enabled SSDs 40
• Chapter 7 Conclusion 41
• 요약 48