NVMe Zoned Namespace (ZNS)

개요

고성능 저장 장치 수요 증가에 따라, 기존 NVMe SSD가 겪던 쓰기 증폭(Write Amplification)과 가비지 컬렉션 문제를 해결하기 위한 기술로 **Zoned Namespace (ZNS)**가 부상하고 있습니다. ZNS는 SSD의 물리적 구조를 애플리케이션에 노출시켜 데이터 쓰기 방식을 제어함으로써 성능과 수명을 획기적으로 향상시키는 혁신적인 저장 아키텍처입니다.

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1. 개념 및 정의

ZNS는 NVMe 1.4에서 도입된 확장 규격으로, SSD를 Zone 단위로 구분하여 순차적 쓰기를 유도함으로써 플래시 메모리의 특성에 최적화된 입출력을 가능하게 합니다.

• ZNS: Zoned Namespace
• 목표: 쓰기 증폭 감소, GC 오버헤드 제거, SSD 수명 연장
• 특징: 호스트 주도(HoH, Host-aware) 쓰기 구조, Zone 상태 관리 필수

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2. 특징

항목	ZNS SSD	일반 NVMe SSD
쓰기 방식	Zone 단위 순차 쓰기	임의(Random) 쓰기 허용
쓰기 증폭	낮음 (WAF ≈ 1)	높음 (WAF > 2~5)
GC 오버헤드	없음 (호스트가 직접 관리)	존재 (컨트롤러 자동 수행)
수명	길어짐	짧아짐

• ZNS는 Host Software가 Zone 상태를 추적하고 Reset/Append 명령을 직접 수행
• GC에 의한 성능 저하 방지 → Predictable Latency 실현 가능

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3. 구성 요소

구성 요소	설명	역할
Zone	일정 크기로 분할된 쓰기 단위 영역	Append-only 쓰기 방식 적용
Write Pointer	현재 쓰기 위치 추적	순차 쓰기 보장
Zone Reset	Zone 초기화 명령	Overwrite 불가 영역 재사용
Zone Descriptor	Zone의 메타데이터 구조	상태, 크기, 제한 정보 제공
NVMe Namespace	ZNS가 적용된 가상 저장 공간	NVMe 프로토콜과 연동

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4. 기술 요소

기술 요소	설명	관련 기술
Zoned Block Device	커널 수준의 ZNS 디바이스 인식	Linux ZBD, ZonedStorage API
Host Aware SSD	ZNS 명령을 지원하는 호환 장치	Western Digital, Samsung ZNS SSD
FTL Bypass 구조	SSD 내부 FTL 사용 최소화	호스트 기반 매핑 구조
Filesystem 최적화	ZNS용 파일 시스템 구조	f2fs, btrfs, ZNS-aware RocksDB

• ZNS 전용 소프트웨어 스택 필요 (libzbd, SPDK 지원 등)

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5. 장점 및 이점

장점	설명	기대 효과
낮은 WAF	불필요한 내부 복사 제거	쓰기 성능 향상, 수명 연장
낮은 지연 시간	GC 제거로 일정한 응답 시간 확보	실시간 서비스에 적합
호스트 제어 가능	데이터 배치 전략 최적화 가능	사용자 맞춤 저장 제어
전력 효율 향상	내부 작업 감소	발열 및 소비 전력 저감

• 특히 로그성 데이터 처리, Key-Value Store, OLTP/OLAP 환경에 유리

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6. 활용 사례 및 고려사항

사례	설명	포인트
클라우드 DB	RocksDB with ZNS 적용	WAF 1.1 수준 유지
CDN 캐시 스토리지	순차 쓰기 특성 활용	캐시 회전율 예측 가능
엣지 컴퓨팅	저전력 + 저지연 요구 환경	GC 성능 저하 방지

고려사항:

• Zone 크기와 쓰기 패턴 간의 정렬 필요
• 기존 파일 시스템과 호환성 낮음 → 사용자 레벨 스토리지 계층 필요
• Zone 상태 관리 코드의 복잡성 증가

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7. 결론

NVMe ZNS는 SSD의 플래시 특성에 최적화된 접근 방식으로, 쓰기 증폭 최소화와 예측 가능한 성능 확보를 가능하게 합니다. 특히 고성능 스토리지가 요구되는 클라우드 및 대규모 분산 시스템 환경에서 ZNS는 차세대 SSD 기술로 자리매김하고 있습니다. 스토리지 효율성과 성능을 동시에 추구한다면 ZNS는 필수적으로 고려되어야 할 기술입니다.