Unleashing Zoned UFS: Cross-Layer Optimizations for Next-Generation Mobile Storage (FAST 2026)
一句话总结：把 ZNS 思想下放到手机 UFS（即 ZUFS），通过设备端动态写缓冲（ZABM）+ 端到端写序保证 + 主动 GC 三套跨层改造，在量产手机上实现碎片化场景下 2× 写吞吐、Genshin Impact 加载时间降低 14%，是首个在商用旗舰手机（Pixel 10 Pro）上落地的 zoned storage 部署。
问题
手机 UFS 容量从 32 GB 飙升至 1 TB 但片上 SRAM 一直停在 1 MB 左右，导致传统 page-level L2P 映射 cache miss 频发，随机读性能不稳定。10,000 部商用手机的统计显示 30% 设备 F2FS fragmentation level > 0.7，写延迟 99 分位高达 678 ms/MB。JEDEC 2023 标准化 Zoned UFS（ZUFS）：每 zone 强制顺序写、L2P 表只需 zone 级映射（1 TB 设备 8 KB vs CUFS 1 GB）。但商业部署面临三大障碍：(1) 多 open zone 共享 SRAM 写缓冲极易抖动；(2) 移动端激进时钟门控（clock gating）会破坏块层/SCSI/UFS driver 的端到端写序；(3) 大 zone（1056 MB）使 F2FS section GC 一次需迁移大量有效数据。
核心方法
整套设计跨越 device firmware → SCSI/UFS driver → block layer → F2FS → Android framework。
Zone-Aware Buffer Management (ZABM)：核心是 Scatter-Gather Buffer Manager (SGBM) 硬件模块，把 SRAM 切成 4 KB slot，为每个 open zone 维护 slot table。ZUFS 顺序写约束让 slot table 退化为线性索引；当某 zone 数据攒够 superpage 即并行 flush 到 NAND。ZABM 仅占控制器 0.4% 面积，相比 ZMS 的 host-side IOTailor 重 kernel 模块更轻量。
End-to-End Write Ordering：识别并修补 SCSI core + UFS driver 的 clock gating requeue 路径，确保 power saving 不破坏 zone write locking (ZWL)；同时修复 block layer 多个角落 case。这部分改动已上游到 Linux kernel。
Proactive GC：F2FS 引入 7 个新 sysfs knob（如 gc_no_zoned_gc_percent=60%、gc_boost_zoned_gc_percent=25%、gc_valid_thresh_ratio=95%），按 free section 比例动态切换 cost-benefit 与 greedy 算法，背景态主动回收避免 foreground GC 卡用户 I/O。
设计工程化为 Pixel 10 Pro 量产方案，所有改动开源至 Android framework 与 Linux kernel。
关键结果
- 碎片化条件下写吞吐 > 2× CUFS，读性能稳定。
- Genshin Impact 校验 + 加载时间降低 14%。
- ZMT (Zone Mapping Table) 1 TB 设备仅需 8 KB SRAM，对比 CUFS 的 ~1 GB 大幅缩减。
- ZABM 硬件开销仅 0.4% 控制器芯片面积。
- 首个 zoned storage 在 commercial 旗舰手机的部署（2025 Pixel 10 Pro 系列）。
相关
- 相关概念：ZNS、F2FS、Zone-Append、Garbage-Collection、L2P-Mapping
- 同类系统：ZMS（host-side IOTailor 路径）、ZNS+、eZNS、ZNSwap
- 同会议：FAST-2026