定制 SSD 以提高性能、耐用性和功耗

作者塞巴斯蒂安·讓 | 2022 年 4 月 18 日 | 全部, 企業

隨著企業尋求提高當今數據中心的性能、效率和可靠性，他們越來越多地轉向固態驅動器 (SSD)，而不是硬盤驅動器 (HDD)。然而，找到適合其獨特需求的 SSD 並不像某些人想像的那麼簡單。 SSD 有多種外形尺寸和配置，並且可以高度定制。

為特定應用定制 SSD 需要考慮很多因素。對於 SSD 方面最重要的方面，每家公司都有不同的優先級。一些企業需要最高水平的性能和最少的延遲，例如實時銀行交易或處理大量機器學習數據集等應用程序。其他人優先考慮低功耗以節省能源，高耐用性以延長生命週期或成本效率以符合嚴格的預算。

由於 SSD 的硬件和軟件設計選項多種多樣，企業應首先確定其存儲和服務器需求，然後尋找能夠根據其具體要求提供 SSD 的供應商。

定制 SSD 以提高性能和耐用性

閃存類型、塊分配和連接接口等因素會對 SSD 的性能產生很大影響。

提高性能而不產生任何負面副作用或對耐用性影響的最直接方法之一就是選擇可用的最佳 NAND。並非所有 NAND 都是一樣的，閃存供應商正在不斷改進和升級其 NAND 產品以擊敗競爭對手。在購買之前做一些研究是值得的。群聯工程團隊與領先的 NAND 晶圓製造商合作。它在新的 NAND 技術發貨前對其進行評估，然後驗證 NAND 在存儲產品中的使用。群聯電子在 NAND 領域的專業知識可幫助客戶選擇最適合其存儲應用的 NAND。

NVMe 與 SATA

SSD 連接到服務器主板的方式可以提高吞吐量，從而提高性能。當每個企業在數據中心使用硬盤時，最常見的連接接口是串行 ATA，即 SATA。該接口的最新版本 SATA III 的最大帶寬吞吐量為每秒 600 兆字節 (MB/s)。 SAS 也很流行，但它也依賴於 SATA 物理接口。儘管 SAS 接口的速度是 SATA 的兩倍，但物理盤片容量與 SATA 大致相同。

2011 年，隨著 SSD 的普及，一種新的存儲協議應運而生，稱為非易失性內存 Express (NVMe)。它很快成為將 SSD 連接到主板的行業標準，因為它使用 PCI Express (PCIe) 3.0 總線，大約比 SATA 快六倍。這是因為 SSD 通常使用 x4 PCIe 通道，並且它們實現了 3500 MB/s 的吞吐量，而 2011 年為 600 MB/s。如今，相同的 x4 通道使用 Gen5 信號提供 14 GB/s 的吞吐量。與旋轉盤片不同，數字 NAND 閃存可以支持完整的接口帶寬。除了超快之外，NVMe PCIe SSD 還可以實現更短的數據訪問和命令排隊延遲。 NVMe SSD還具有出色的多任務處理能力。所有這些改進都會帶來更高的性能。

記憶細胞類型

SSD 主要由閃存控制器和存儲數據的 NAND 閃存單元組成。這些存儲單元有多種配置，這些配置決定了它們的速度以及單元可以接受的數據位數。

- 單層單元 (SLC) SSD 是最基本的配置。每個單元接受一位數據。 SLC SSD 的優勢在於速度：它們是目前最快的 SSD。它們也是最可靠、最耐用的 SSD，而且毫不奇怪，也是最昂貴的。如今，全 SLC 配置專門用於電影行業、醫學成像、高頻交易和天基傳感器平台等專業應用。

- 多級單元 (MLC) SSD 每個單元接受兩位數據。它們比 SLC SSD 慢，因為在單元中寫入兩位比寫入一位需要更長的時間。它們的可靠性和耐用性也較差，因為更多的數據被寫入單元上，並且隨著時間的推移，存儲單元會隨著重複使用而退化。現在，這種配置已基本被棄用，取而代之的是 TLC 和 QLC。

- 三級單元 (TLC) SSD 每個單元接受三位數據。作為當今最常見的企業級 SSD 類型，它們以比 SLC 更低的價格提供更大的容量。然而，其代價是速度、可靠性和耐用性降低。儘管 TLC 得到應有的重視，但它是所有企業存儲的基準。 SLC 被認為是一種專用 NAND，而 QLC 用於成本優化或讀取密集型應用。

- 四級單元 (QLC) SSD 每個單元接受四位數據。雖然QLC NAND的價格定位低於TLC，但當前各代QLC的性能和耐用性均低於TLC。當前幾代 QLC NAND 非常適合用於寫入 I/O 極少的讀取密集型應用。

- 五級單元 (PLC) SSD 每個單元編碼五位數據。雖然尚未投入商用，但 PLC SSD 將為每個 NAND 芯片提供更大的存儲容量，並在零售層面提供更低的每 GB 成本，但與 QLC 或 TLC NAND 相比，性能和耐用性有所下降。 PLC NAND的實際應用是不常用的USB閃存驅動器或閃存卡，其性能與HDD大致一致。

所有這些存儲單元類型面臨的挑戰是如何平衡客戶應用對性能、可靠性和耐用性的需求。讀取速度、寫入速度、編程/擦除 (P/E) 循環、數據保留和有功功率等特性對其中每一項質量都有直接影響。

例如，當今主流企業存儲主要使用 TLC NAND。相比之下，全 SLC NAND SSD 的製造成本要高出三倍，但可提供出色的低延遲性能。目標應用包括高頻股票市場交易或寫入量大的應用，例如用於錄製好萊塢動作場景的 8K 視頻無人機。 QLC NAND 的定價通常低於 TLC NAND，並且在同一 NAND 芯片中比 TLC 多提供 33% 的存儲空間。 QLC NAND 非常適合數據密集型應用，例如石油勘探、開發新型噴氣渦輪機或進行基因組研究。將 NAND 與應用相匹配只是必須考慮的因素之一，我們將在下面看到。

過度配置

NAND閃存不能像磁介質一樣直接覆蓋——必須先將仍然有效的舊數據移動到新塊，然後才能擦除舊塊並重新寫入。收集仍然有效的數據的過程稱為“垃圾收集”，儘管在這種情況下，它指的是清除舊的無效過時數據並收集有效的使用數據。與讀取或寫入操作相比，擦除塊相當慢。如果處理不當，擦除操作會降低性能並顯著延長延遲分佈。通過提供用戶無法直接尋址的備用容量來過度配置 (OP) SSD，可以讓數據在寫入新數據時有更多時間自然失效。這減少了垃圾收集開銷和驅動器磨損，同時顯著收緊了延遲分佈曲線。擁有額外的 OP 允許系統執行編程/擦除週期，而不會中斷或降低系統性能。

增加 OP 還可以提高穩態性能，降低寫入放大係數 (WAF)，並實際上提高 SSD 的耐用性。 OP 會降低用戶容量，但這可以通過添加更多 NAND 來抵消，但不幸的是，這會增加成本和有功功率。

並行處理

HDD 僅具有一個或兩個掃描臂，用於管理相對於介質的讀/寫頭位置。儘管每個磁盤面都有一個專用磁頭，但同一臂上的所有磁頭必須查看每個磁盤面上的同一扇區，這極大地限制了隨機性能。相比之下，4 TB SSD 有 64 個獨立的 NAND 芯片，每個芯片有兩到六個獨立的平面。這意味著企業級 SSD 每 60 到 80 微秒可以同時處理多達 384 個 I/O 命令。這就是企業級 SSD 能夠實現每秒 100 萬到 200 萬次 I/O (IOPS) 的原因，而 HDD 的每秒 IOPS 限制為 150 到 400 個。從這些數字來看，眨眼大約是 1/3 秒。

當考慮存儲控制器設計時，還可以進行其他改進。典型的企業控制器將擁有六到八個大型處理核心，而群聯設計則專注於 32 到 48 個微核心。儘管設計更複雜的處理器需要付出額外的努力，但它帶來了一些好處，包括：額外的並行性、減少的延遲和提高的功率。

定制 SSD 的電源使用

當企業試圖減少碳足跡時，數據中心提供了多種節省能源和降低成本的機會。一種選擇是用更高效的 SSD 替換耗電的 HDD，儘管有些 SSD 比其他 SSD 更高效。除了簡單地將旋轉媒體替換為數字媒體之外，SSD 還可以通過多種其他方式進行定制以降低功耗。

基於 Phison E18 的客戶端 SSD 具有積極的電源管理功能，可在筆記本電腦上玩高端遊戲時提供高達 20% 的額外電池壽命。 Phison Enterprise X1 控制器使 SSD 具有業界領先的性能，同時降低了 30% 的功耗。

管理存儲控制器功耗的一種策略是遷移到更小的處理節點。例如，將工藝節點尺寸從 28 納米減小到 12 納米，使節點能夠以更低的電壓工作在更高的頻率下。通過使用更少的能量通過總線傳輸數據或切換晶體管，可以減少 SSD 的能耗。使用更少的功率意味著 SSD 產生更少的熱量，從而減少晶體管漏電流。

降低功耗的另一種方法是減少 SSD 使用的 NAND 通道數量。該功能是通過改進的 ONFI 總線速度實現的，該總線速度用於將數據從 NAND 移動到 SSD 控制器。現在，您不需要 8 或 16 個通道來使 Gen4 甚至 Gen5 PCIe 接口飽和。僅使用四個 NAND 通道就有可能使主機接口飽和。減少後端通道數會使 SSD 總功率降低 20 至 30%。