- La tecnología ZNS divide el SSD en zonas que el host debe escribir secuencialmente, alineando mejor los datos con la memoria NAND.
- Al reducir la amplificación de escritura, las SSD ZNS logran mayor durabilidad, mejor rendimiento y más capacidad utilizable.
- NVMe 2.0 integra ZNS como nuevo Command Set dentro de un ecosistema compatible hacia atrás y preparado para grandes centros de datos.
- Fabricantes como Samsung y Western Digital ya ofrecen SSD ZNS empresariales, apoyadas por un creciente ecosistema de software abierto.
La explosión de datos en centros de datos y servicios en la nube está poniendo contra las cuerdas a las tecnologías de almacenamiento tradicionales. Cada año aparecen más aplicaciones de big data, inteligencia artificial y plataformas digitales gigantescas que necesitan guardar, mover y procesar cantidades brutales de información sin disparar los costes.
En este contexto, la tecnología Zoned Namespace (ZNS) aplicada a SSD NVMe se ha convertido en una de las grandes apuestas de la industria para seguir aumentando capacidad, mejorar el rendimiento y alargar la vida útil de las unidades de estado sólido, sin que la factura de los centros de datos se dispare ni se dispare el consumo energético.
De SMR y almacenamiento por zonas a ZNS
Antes de entrar de lleno en ZNS, conviene entender de dónde viene la idea: el almacenamiento por zonas en discos duros SMR, una tecnología clave para aumentar la densidad de datos en HDD y recortar el coste por terabyte.
La sigla SMR corresponde a Shingled Magnetic Recording o grabación magnética escalonada, un método que organiza los datos en pistas parcialmente solapadas, igual que las tejas de un tejado, logrando así meter más bits en la misma superficie de plato.
En un disco duro convencional, cada pista se escribe dejando un margen para que la pista contigua no la «pise». Con SMR, las pistas se escriben superpuestas de forma controlada, de manera que la pista nueva solapa ligeramente a la anterior, incrementando de forma importante la densidad de área y, por tanto, la capacidad total de la unidad.
Este enfoque permite a los fabricantes de HDD ofrecer un aumento de capacidad de entorno al 15 % en una misma generación, reduciendo de paso los costes tanto a nivel de dispositivo como de sistema, algo especialmente jugoso para los gigantes de la nube y los grandes centros de datos.
Eso sí, este modelo tiene una contrapartida: al estar las pistas solapadas, las escrituras aleatorias se complican, por lo que surge la necesidad de organizar el espacio de direcciones del disco en zonas que se escriben secuencialmente, con un puntero que indica la siguiente posición de escritura válida.
De este concepto nace el almacenamiento por zonas: un espacio de direcciones dividido en bloques lógicos (zonas), donde cada zona se escribe en orden secuencial. En el mundo de los HDD, esto se materializa mediante estándares como ZBC (Zoned Block Commands, para SCSI) y ZAC (Zoned ATA Commands), que permiten a los sistemas aprovechar al máximo las características de los discos SMR.
En los centros de datos, este esquema zonificado se está imponiendo como alternativa a la grabación magnética perpendicular clásica, con el objetivo de aumentar capacidad y optimizar el coste por terabyte, sin renunciar a un rendimiento razonable para los grandes volúmenes de datos fríos o semicalientes.
La gracia es que esta misma filosofía de dividir el dispositivo en zonas y forzar escrituras secuenciales no se queda en los discos duros: se ha trasladado con mucho éxito al almacenamiento flash mediante ZNS en SSD NVMe.
Qué es la tecnología ZNS (Zoned Namespace SSDs)
La tecnología ZNS, o Zoned Namespace dentro del estándar NVMe, es un conjunto de comandos y una forma de exponer el SSD al sistema en la que el espacio de direcciones lógico se divide en zonas que el host debe escribir secuencialmente, igual que en los HDD por zonas, pero adaptado a las peculiaridades de la memoria NAND.
En un SSD convencional, el controlador interno se encarga de ocultar la complejidad de la memoria flash, que requiere borrar bloques completos antes de reescribirlos y que presenta limitaciones de ciclos de escritura. Para ello realiza operaciones internas de reubicación de datos, limpieza de bloques y recolección de espacio libre (garbage collection).
Todo este trabajo invisible conlleva un efecto secundario: la amplificación de escritura o Write Amplification Factor (WAF), que mide cuántas escrituras reales hace el dispositivo respecto a las que ordena el sistema operativo o la aplicación.
Con ZNS, el SSD deja de ser una caja negra y colabora con el host en la colocación de los datos. El espacio de nombres NVMe se organiza en zonas, cada una con restricciones de escritura secuencial y operaciones específicas de apertura, cierre y reset. Las aplicaciones, el sistema de ficheros o las capas de software intermedias son conscientes de esta estructura y escriben los datos de acuerdo con ella.
Al forzar que los datos con patrones de uso similares se escriban de forma secuencial dentro de la misma zona, el SSD puede alinear mucho mejor las escrituras con la geometría física de la NAND, reduciendo drásticamente la reescritura interna y la necesidad de garbage collection.
Desde el punto de vista del estándar, ZNS se define como un nuevo Command Set dentro de NVMe, introducido con la especificación NVMe 1.0 para ZNS y consolidado dentro de la familia de especificaciones NVMe 2.0, manteniendo total compatibilidad hacia atrás con generaciones anteriores de NVMe.
Cómo funcionan las SSD ZNS en la práctica
En una SSD con soporte ZNS, el espacio lógico se divide en un conjunto de zonas numeradas, cada una con un tamaño fijo, típicamente múltiplo de varios megabytes o incluso gigabytes, según el diseño del fabricante.
Cada zona tiene un estado (vacía, abierta, cerrada, vaciándose, etc.) y un puntero llamado Write Pointer que indica la próxima dirección de bloque lógico donde se puede escribir. El host solo puede escribir de forma secuencial desde ese puntero hacia adelante, respetando las reglas del modelo zonificado.
Las operaciones típicas con zonas incluyen abrir una zona para escritura, escribir datos de manera estrictamente secuencial, cerrar la zona cuando ya no se van a añadir más datos y reiniciar (reset) una zona cuando se desea borrar su contenido para reutilizarla.
Este enfoque obliga al software a ser más disciplinado a la hora de organizar los datos según su patrón de acceso y su ciclo de vida. Por ejemplo, puede agrupar datos fríos que apenas cambian en unas zonas, y datos calientes que se actualizan constantemente en otras, evitando mezclar ambos tipos en los mismos bloques físicos de NAND.
Gracias a esa agrupación inteligente, la unidad apenas necesita mover datos internamente para consolidar espacio libre, con lo que disminuyen las escrituras extra que no aportan información nueva, reduciendo la amplificación de escritura (WAF) hasta valores muy cercanos a 1.
Otro efecto importante es que el ZNS permite al fabricante del SSD reducir o incluso eliminar el sobreaprovisionamiento excesivo, ese porcentaje de capacidad reservado para tareas internas del controlador, ya que el propio host ayuda a mantener el dispositivo en un estado más ordenado y predecible.
En la práctica, esto se traduce en que una SSD ZNS puede exponer al usuario más capacidad utilizable que una SSD NVMe convencional basada en la misma memoria NAND, manteniendo o incluso mejorando el rendimiento y la durabilidad.
Beneficios clave de las SSD ZNS para centros de datos
Los entornos a gran escala, como plataformas cloud, mega servicios digitales o infraestructuras de big data, son los que más partido sacan a la tecnología Zoned Namespace, porque su patrón de uso de datos encaja muy bien con la escritura secuencial por zonas.
Uno de los beneficios principales es la reducción de la amplificación de escritura (WAF). En las SSD de servidor tradicionales, los valores de WAF suelen situarse entre 3 y 4, es decir, por cada unidad de datos escrita por el host, el SSD acaba escribiendo internamente entre 3 y 4 unidades debido a movimientos de datos, compactación y mantenimiento interno.
Con ZNS y una buena gestión de zonas desde el software, es posible lograr un WAF próximo a 1, un salto enorme en eficiencia. Menos escrituras internas significan menos desgaste de las celdas NAND, menor consumo energético y menos necesidad de sobreaprovisionamiento.
La consecuencia directa es que una SSD ZNS puede durar hasta unas cuatro veces más que una SSD NVMe convencional en escenarios equivalentes, especialmente en cargas de trabajo dominadas por escrituras intensivas. Esto se traduce en ciclos de renovación más largos y menor coste total de propiedad (TCO).
Además, al eliminar gran parte del garbage collection interno y las escrituras de mantenimiento, las unidades ZNS ofrecen latencias de acceso mucho más predecibles, reduciendo la famosa «cola larga» (long-tail latency) que tanto duele en aplicaciones sensibles al tiempo de respuesta.
Otro punto clave es la maximización de la capacidad utilizable. Al no necesitar reservar tanto espacio oculto para tareas en segundo plano, el SSD puede ofrecer una mayor proporción de la capacidad bruta al usuario o al sistema host, algo especialmente valioso cuando se habla de decenas de petabytes en un centro de datos.
Todo esto conlleva también mejoras en eficiencia energética y reducción de recursos asociados. Menos escrituras, menos reubicación de datos y menos DRAM necesaria para gestionar las tablas de traducción internas se traducen en menores consumos y en una infraestructura de almacenamiento más sostenible.
Los responsables de centros de datos que necesitan manejar volúmenes descomunales de información —particularmente en aplicaciones de análisis masivo, IA o servicios XaaS— valoran que ZNS les permita escalar su infraestructura sin que se disparen el coste por GB ni la complejidad operativa.
NVMe 2.0 y el papel de ZNS en el ecosistema
La organización NVM Express, Inc. ha publicado la familia de especificaciones NVMe 2.0 con la idea de dar cabida a todas las mejoras necesarias para que NVMe siga creciendo como el estándar dominante de acceso a almacenamiento de alta velocidad.
Hasta hace poco, muchos usuarios apenas prestaban atención a la versión del estándar NVMe (1.3, 1.4, etc.) que soportaba una unidad, pero con NVMe 2.0 esto está cambiando, ya que las nuevas funcionalidades —como ZNS o Key Value— tienen un impacto directo en el rendimiento y en las capacidades de las unidades.
NVMe no se limita ya a los SSD M.2 que todos tenemos en mente; su uso se extiende a múltiples dispositivos y factores de forma, incluida la compatibilidad con medios rotacionales como los HDD, que también empiezan a beneficiarse del ecosistema NVMe a través de la compatibilidad con medios rotacionales definida en la especificación.
En este marco, ZNS aparece como un Command Set específico que proporciona una interfaz de dispositivo por zonas, permitiendo esa colaboración estrecha entre el host y el SSD en la política de colocación de datos, con los beneficios ya comentados de menor sobreaprovisionamiento, menor WAF y latencias más ajustadas.
NVMe 2.0 introduce también otros elementos interesantes, como el Key Value Command Set, que posibilita acceder a los datos utilizando claves en lugar de direcciones de bloque, eliminando la necesidad de costosas tablas de traducción entre claves y LBA en ciertas aplicaciones.
Además, se definen los Namespace Types, que brindan un mecanismo para que un mismo controlador NVMe pueda soportar distintos conjuntos de comandos (ZNS, Key Value, etc.) dentro de un mismo dispositivo, permitiendo una gran flexibilidad y escalabilidad hacia futuras extensiones del estándar.
NVMe 2.0 también incorpora características como Endurance Group Management, que permite configurar la memoria en grupos de resistencia para un control más granular, soporte formal para medios rotacionales (HDD), mejoras en la actualización de firmware en sistemas con múltiples controladoras, o el comando Simple Copy, que facilita la copia de datos entre espacios de nombres sin sobrecargar al host.
Todo ello manteniendo compatibilidad hacia atrás con generaciones anteriores de NVMe, de forma que los nuevos dispositivos puedan convivir con controladoras más antiguas y viceversa, facilitando la transición en grandes infraestructuras sin cortes traumáticos.
Ecosistema software y proyectos de código abierto alrededor de ZNS
Para que ZNS funcione bien no basta con que el hardware lo soporte, es imprescindible que el software —desde el sistema operativo hasta las aplicaciones— entienda y aproveche el modelo por zonas.
En el mundo Linux, el soporte para almacenamiento zonificado ha ido madurando en el kernel, permitiendo que el stack de almacenamiento exponga y gestione ZNS SSDs de forma nativa, con cambios tanto en los drivers NVMe como en las capas de block device y herramientas de administración.
Expertos de la industria, como Damien Le Moal (Western Digital) y Javier González (Samsung), han mostrado cómo el kernel de Linux habilita ZNS y cómo diversas herramientas y librerías existentes o nuevas permiten sacar partido de estas unidades con relativa facilidad.
Samsung, concretamente, ha estado trabajando activamente en proyectos de código abierto orientados a expandir el ecosistema ZNS, contribuyendo a iniciativas que facilitan la adopción de esta tecnología por parte de desarrolladores y proveedores de soluciones de almacenamiento.
Entre estas iniciativas se incluye la integración de ZNS con xNVMe, un conjunto de bibliotecas de software y utilidades pensado para mejorar el rendimiento y la portabilidad de aplicaciones basadas en NVMe, así como facilitar el acceso a nuevas capacidades como las zonas.
La compañía también colabora con la comunidad Storage Performance Development Kit (SPDK), impulsada originalmente por Intel, que permite implementar soluciones de almacenamiento de alto rendimiento en espacio de usuario, minimizando la sobrecarga del kernel y proporcionando un control fino del hardware.
Esta colaboración facilita que los usuarios de SPDK puedan incorporar soporte para ZNS en sus stacks de almacenamiento definidos por software, sacando partido de las ventajas en latencia, durabilidad y capacidad ofrecidas por estas unidades.
Además, la industria está impulsando charlas, demostraciones y sesiones formativas específicamente centradas en ZNS, dirigidas a arquitectos cloud, responsables de infraestructura de centros de datos, equipos DevOps y desarrolladores de stacks de almacenamiento, para acelerar la adopción de este modelo en entornos de producción.
En estas sesiones se muestran ejemplos prácticos de cómo reestructurar aplicaciones y sistemas de ficheros para adaptarse al modelo zonificado, cómo monitorizar el estado de las zonas y cómo integrar ZNS en arquitecturas de gran escala sin alterar los SLA de servicio.
Todo este movimiento en el ecosistema software es lo que permitirá que ZNS pase de ser una tecnología avanzada para unos pocos especialistas a una herramienta estándar en la caja de recursos de cualquier proveedor de servicios digitales a gran escala.
Mirando el conjunto de la película, se ve claro que ZNS no es solo un truco para rascar algo de rendimiento, sino un cambio de modelo en la relación entre el host y el dispositivo de almacenamiento, donde el software asume más responsabilidad a cambio de ganar capacidad, vida útil y eficiencia en un mundo en el que los datos crecen a un ritmo que no perdona.