ゾーンドストレージ（ZNS）

FTLの隠蔽コストを剥がすという発想

SSDとFTLで見た通り、従来のSSDはNANDの「ページ単位で書き、ブロック単位で消す」非対称性と上書き不能性を、FTLがL2P変換表・ウェアレベリング・ガベージコレクション（GC）で覆い隠し、ホストには普通のブロックデバイスに見せかけています。この隠蔽には代償があります。変換表はDRAMを食い、GCの有効ページ退避は書き込み増幅（WAF）を生み、GCが割り込むタイミングでテールレイテンシが跳ねる。ZNS（Zoned Namespace）は、この隠蔽そのものをやめる規格です。FTLの仕事の大半をホスト側へ移し、デバイスは単純な追記だけを引き受けるという設計思想に立っています。

ゾーンと追記制約

ZNS SSDは名前空間をゾーンという固定サイズの領域（典型的には数十MB〜1GB程度）に分割します。各ゾーンは次の規則に従います。

• ゾーン内のLBAは先頭から単調増加する順序でのみ書き込める（シーケンシャルライトのみ）。書き込み位置はゾーンごとのライトポインタが指し、書き込むたびに前進する。
• ランダムな位置への上書きは許されない。ゾーンを再利用するにはゾーンリセットでライトポインタを先頭へ戻し、ゾーン全体を空の状態に一括で戻す。
• 読み出しはゾーン内の任意位置に対して自由に行える。制約があるのは書き込み順序だけ。

ゾーンZの内部状態
  [書き込み済み][書き込み済み][書き込み済み][空き]...[空き]
                                    ▲
                              ライトポインタ（次の書き込み位置）

write(Z, data) → ライトポインタの位置に書き、ポインタを前進
reset(Z)       → ライトポインタを先頭に戻す（ゾーン全体を空に）

FTLのオーバーヘッドが消える理由

従来のFTLとZNSを比べると、削られるものが明確になります。

要点は、ホストが最初から追記の順序でしか書かないと約束することで、デバイス側が「どこが有効でどこが無効か」を推測してGCする必要そのものがなくなる点です。従来のFTLはホストの書き込みパターンを知らないため、ランダム上書きに備えて常時GCを構えていました。ZNSはその不確実性を制約で消し、L2P変換もゾーン粒度で済むためDRAMもわずかで足ります。DRAMレス設計のSSDや、TCO（総所有コスト）を切り詰めたいハイパースケーラーにとって、この差は無視できません。

ホスト側に移るゾーン管理の責任

ZNSを使うホスト（ファイルシステムやアプリケーション）は、従来FTLが担っていた仕事を肩代わりします。

1. 空きゾーンの追跡。 どのゾーンが書き込み可能で、どのゾーンが満杯かを管理する。
2. 書き込み順序の保証。 アプリ側のバッファリングで更新をまとめ、必ずライトポインタに従う順序でゾーンへ流す。ランダムな更新要求が来ても、ホスト側で並べ替えてから追記する必要がある。
3. ゾーンレベルのGC（ガベージコレクション相当の処理）。 ゾーン内に無効データが増えたら、有効データだけを新しいゾーンへコピーし、元ゾーンをリセットして再利用可能にする。この退避コピーはホストのCPUとI/O帯域を使うため、従来デバイス内で隠れていたコストが可視化された形で表に出てくる。
4. 並行書き込み数の管理。 デバイスが同時にオープンできるゾーン数には上限があり、その範囲内でどのゾーンに何を書くかを割り当てる。

この責任移譲は無償ではありません。ホスト側のソフトウェアが未成熟だと、単に「GCが場所を変えただけ」で総コストは変わらない、あるいは悪化することもあります。ZNSが利益を生むのは、ホスト側がもともとログ構造的にしか書かない設計である場合です。

ログ構造ファイルシステムとの親和性

ログ構造化ファイルシステム（LFS）は、そもそも全更新をセグメントへ追記し、無効ブロックをセグメントクリーニングで回収するという設計でした。この「追記のみ・後でまとめて回収」というモデルは、ZNSのゾーン制約と構造的にほぼ一致します。

LFSのセグメント  ⇔ ZNSのゾーン
セグメントクリーニング（GC） ⇔ ゾーンのコピー退避＋リセット

LFSやF2FS、LSMツリーベースのストレージエンジンをZNS SSDの上で直接動かすと、ソフトウェア側が元々持っていた追記ログとGCの機構が、そのままハードウェアの制約と一致するため、二重にGCを行う無駄が消えます。従来のブロックSSD上でLFSを動かすと、ホスト側のセグメントクリーニングに加えてデバイス内部のFTLもGCを行うという二重構造になっていました。ZNSはデバイス側のGCそのものを取り除くため、この二重コストを解消できます。同様に、ブロックI/O層を通過する要求がゾーンの追記順序を守るよう並べ替えられている必要があり、通常のブロックデバイス向けI/Oスケジューラとは異なる配慮が要ります。

まとめ