視頻：SSD 控制器技術的未來 – PCIe Gen5 及更高版本概覽

2021年11月，微星採訪了群聯科技首席技術官Sebastien Jean，以了解更多關於SSD的未來 賭博 特別是關於群聯在其新的 M.2 PCIe Gen5 卡上所做的工作。熱烈的對話涵蓋了從 SSD 控制器設計、性能改進和熱管理到供應鏈挑戰以及 Gen5、Gen6 及更高版本的最佳用例等方方面面。

我們整理了以下一些亮點。享受。

MSI：讓我們從基礎開始。什麼是存儲控制器以及它在 SSD 中的功能是什麼？

塞巴斯蒂安： SSD 通常由三個主要部分組成：控制器、高速緩存（速度非常快的內存）以及 3D NAND 閃存本身（所有數據最終存儲在其中）。

SSD 控制器有多個組件。第一個是處理元件（Phison 通常使用 ARM Cortex-R5）。如果你仔細想想，SSD 本質上是一個管道處理單元。這就像一條裝配線。當你收到命令時，你首先必須對其進行解碼，了解它是什麼，然後開始做出決定。該裝配線的每個部分都會在非常短的時間內（幾分之一微秒）查看命令。根據 SSD 中 NAND 的數量，您可以擁有 20 到 3 或 400 個並行點。當您使用真正先進的企業級 SSD 驅動器時，您需要深度隊列來讓它們保持忙碌，以充分發揮 1、2 或 300 萬 IOPS 的潛力。

控制器的下一個組件稱為 ECC（糾錯碼）引擎，用於糾正 NAND 上的錯誤。 NAND 會受到熱量和時間的影響，因此位可能會開始翻轉。群聯已經開發出非常強大的 EEC發動機 糾正所有這些自然發生的錯誤，這是任何 SSD 驅動器的基本要求。

MSI：那麼，ECC 不在閃存本身上嗎？

塞巴斯蒂安： 編碼並附加到數據的 ECC 位位於閃存上，但閃存本身不具備處理它們的能力，這會使閃存過於昂貴。因此，ECC 單元內置於存儲控制器中。存儲控制器具有 SRAM——一個或多個 CPU 微核，以及 ECC、密碼學和其他類似的加速器。

MSI：您提到使用 ARM R5 處理器。如果您升級到更快的速度，這會對性能有所幫助嗎？

塞巴斯蒂安： 用更大的內核替換內核並不一定會提高性能。更大的核心具有更大的矽面積，這使得芯片和 SSD 整體上更加昂貴。因此，從根本上來說，當您構建 SSD 時，您希望將其視為基於其所服務的工作負載或應用程序的平衡行為。例如，您可以製作具有四個非常大的核心的 SSD，也可以構建具有許多較小核心的 SSD。在 SSD 中擁有多個處理器的優點是，您不必用自己的一小部分時間來運行每個進程並進行大量調度。對於 PC 上的 CPU 來說這可能沒問題，但對於 SSD 來說就浪費了開銷。因此，正如我之前所說，我們有 20 個核心的多個並行點，每個核心執行一項小工作，從而推動為命令提供服務的工作。

MSI：我們今天討論的是你們的旗艦型號之一，PCIe Gen4，速度可達 7 GB/s。您的控制器採用 12 納米製成。如果採用 10 納米甚至 7 納米，能否獲得更高的吞吐量？

塞巴斯蒂安： 是和不是。 Phison 針對特定帶寬和 IOPS 目標生產 SSD 控制器，因此我們的一些中級控制器可能設計為 5 GB/s，而更高級的控制器則設計為 7 GB/s。採用更新、更快的工藝節點並不一定是正確的選擇。同樣，這取決於應用程序和我們想要做什麼。從根本上來說，歸結為以合理的價格提供最好的技術的平衡。

但要回答您的問題，切換流程節點將為您做一些事情。芯片會變得更小，但是在這種特殊情況下我們沒有尺寸限制。它允許您將內部頻率設置得更快一些，但我們不需要更快地滿足當前的性能節點。它確實減少了洩漏。所有矽晶體管都會洩漏一點電流，即使您沒有切換，因此採用更小的工藝節點會對此有很大幫助。相反，如果您跳上最新的工藝節點，而您並不真正需要它，那麼您所做的只是購買成本，這會使您的 SSD 更加昂貴，而沒有任何額外好處。如果您要製造運行頻率為 2 GHz 的 CPU（使用少量大/快速內核時通常會出現這種情況），那麼您需要最新的工藝節點。對於 SSD，進步並不總是與最新的工藝節點有關。這是關於智能設計，例如通過並行性來解決問題並降低頻率。您可能會過早地跳到最新的工藝節點，而無法推進您的技術。

微星：如果使用DDR4或DDR5內存，M.2 SSD性能會提高嗎？

塞巴斯蒂安： 群聯生產 DRAM 和無 DRAM 的 SSD，但使用 DRAM 的 SSD 極力不使用 DDR 內存。快速路徑實際上並不經過 DDR；它先經過 SRAM，然後經過數據路徑。 DDR用於邏輯到物理地址轉換，因此實際的錶帶寬要求小於SSD帶寬，因此DDR4或DDR5沒有太大區別。很長一段時間以來，我們都對 DDR3 感到滿意。我們當前的型號使用 DDR4，我們正在開發的型號正在轉向 DDR5。在某種程度上，為了降低成本，採用主導工藝節點是有意義的。如果你在舊節點上停留太久並且供應量下降，價格就會上漲。

MSI：E16，您的第一個 PCIe Gen4 控制器，是向前邁出的一大步。然後你介紹了E18。這是計劃還是 E18 控制器的引入是為了解決技術挑戰，以真正從 SSD 中獲得這些速度？

塞巴斯蒂安： 這是一個有趣的問題。這倆 E16 和 E18 被計劃了。我們當時試圖做的是滿足上市時間要求。 Gen4當時還是一個很大的問號。我們在產品上市之前很久就與 CPU 供應商進行了交談，他們總是在啟用新技術，這些新技術可能會或可能不會在他們的下一個產品中啟用，即使它可能在芯片中。所以，業內對於是否開啟Gen4存在很多疑問。當我們得到 AMD（第一個將 Gen4 推向市場的產品）已致力於 Gen4 的積極確認時，我們承諾並將 E16 推向市場，以與平台發布同時進行。我們不僅是第一個向市場推出 Gen4 SSD 的公司，而且在大約 18 個月的時間裡，我們是客戶端領域市場上唯一的 Gen4 SSD。當我們的競爭對手推出第一代 Gen4 產品時，我們已經發布了第二代產品。所以，是的，E18 正在使接口飽和，這在很大程度上要歸功於我們從 E16 中學到的所有經驗教訓，E16 是我們在該領域的第一個 ASIC。

MSI：你幾乎已經觸及了 Gen4 的能力極限。是否有任何改進的空間，例如，您是否正在研究 IOPS 性能等領域？

塞巴斯蒂安： 您始終可以提高 IOPS，但這會直接影響 ASIC 成本。在 E18 所在的客戶領域，當前一代正是它所需要的。我們可以將 IOPS 加倍，但我不確定平台是否可以利用它。我們幾乎已經接近 Gen4 的原始速度限制，但還有其他方法可以優化，也許仍然可以從中獲得更多。

MSI：這是否意味著將會有E19？

塞巴斯蒂安： 有 E19，但它的目標是無 DRAM 的空間，該空間更注重價值而不是性能。從遊戲玩家的角度來看，我想你想問的是會有E18 plus還是super Turbo？簡而言之，答案是否定的——第四代技術的可能性已經飽和。但是，我們將繼續利用 E18 和 Gen4 將該技術滲透到其他泳道中。由於 E19 的目標是降低成本，因此它不會使接口飽和。因此，刷新將增加更多 GB/s 並提高 IOPS。因此，隨著我們繼續從 12 納米過渡到下一個工藝節點（7 納米），在該領域仍有發展空間。

MSI：您認為直接存儲會加速 Gen4 市場的發展嗎？

塞巴斯蒂安： 我認為它總體上加速了計算，尤其是在客戶端領域。從根本上來說，直接存儲是一種繞過 NTFS 層的只讀接口。 NTFS 是 Windows 的標准文件系統，注重可靠性，並且已經存在很長時間了。它內部有很多層，每一層都會增加一點延遲。直接存儲的作用是為您提供通往 SSD 的直接管道，並儘可能少地進行處理。操作系統增加了盡可能少的延遲，並且它是一個只讀接口。因此，需要快速 I/O 的只讀工作負載（主要是客戶端空間中的遊戲）將受益於直接存儲。這種低延遲管道本質上是遊戲、手機、平板電腦和個人電腦的計算所在。

MSI：群聯科技在這些新技術上的研發工作提前了多久？

塞巴斯蒂安： SSD 本身需要六到十八個月的時間，具體取決於我們對其內部進行的更改程度。但是，在 ASIC 真正成為產品之前，實現下一個矽工藝節點的技術通常需要兩到三年的時間。因此，我們非常了解 Gen6，並且已經開始設計支持 Gen6 SSD 的低級組件，但讓我談談為什麼從計算角度來看 Gen5 如此有趣。

DDR4 2133 每個通道大約為 14 GB/s，遊戲 PC 有四到六個通道。現在，有了 Gen5x4，我們就有了 14 GB SSD。確實，下一代主板上現在有更快的 DDR4 和 DDR5，但這並不是重點。我們現在可以將 SSD 存儲和 DRAM 相提並論，在同一空間中運行。 SSD 永遠不會取代 DRAM，因為 DRAM 針對 64 位 I/O 進行了優化 – 它具有超低延遲。但是，如果從緩存的角度來看，CPU 具有 L1、L2、L3 RAM 緩存，而 Gen5 SSD 可以以與 DDR 相同的速度作為 L4 緩存運行。因此，現在 SSD 的自然粒度與 CPU 的緩存架構相一致，這就是開始改變計算機總體工作方式的地方。

MSI：太棒了。您認為這些新產品未來面臨的最大挑戰是什麼？

塞巴斯蒂安： 隨著每一代產品的速度不斷提高，我們的挑戰將繼續是控制熱量。但如果你看看 PC 的發展方向這一更大的問題，客戶端領域的一種認識是，M.2 PCIe Gen5 正在達到其發展方向的極限，實際接口或連接器將成為 PC 發展的瓶頸。未來的速度。因此，新的連接器正在開發中，並將在未來幾年內上市，這將大大提高 SSD 通過傳導到主板的信號完整性和散熱能力。

MSI：供應鏈問題呢？我們尤其看到顯卡的短缺，但許多其他組件和材料也出現短缺。這對群聯和你們產品的一致性有何影響？

塞巴斯蒂安： 全球供應鏈的各種短缺並沒有真正影響群聯電子。 SSD 有一些特別獨特的組件。其中包括控制器，可能包括 DRAM、NAND 和電源管理 IC (PMIC)。其他一切都是分立的——電容器和電阻器——而且不乏這些。對於NAND和DRAM，群聯有長期供應協議，我們預先採購它們以始終有庫存。 PMIC供應短缺實際上是許多製造商的問題，但我們自己製造。當群聯開發新的SSD控制器時，我們也同時設計PMIC並製造兩者。

我們從大量交易中受益。大約 20 年前，群聯剛成立時，我們只是一家普及 USB 拇指驅動器的小公司。如今，我們提供各種類型的存儲，從醫療、工業、運輸、航空航天、遊戲、工作站和企業解決方案到手機、汽車和物聯網中的嵌入式存儲。正因為如此，我們的交易量非常大。因此，只要我們繼續提前做好預測並管理關鍵組件的庫存，就不會出現問題。

MSI：它會始終保持平衡，還是您認為存儲的未來會更加關注容量而不是速度和容量？

塞巴斯蒂安： 行業中的一切都在朝著更高密度、更高速度的方向發展。客戶空間可能會保持平衡，優質產品的速度和密度都會提高，這有點沿著我們過去幾年看到的技術曲線。但群聯爲各種市場的各種不同專業應用生產 SSD。我們擁有超高密度 16 TB QLC SSD，在高性能計算市場（從事數據庫分析、人工智能/機器學習、基因組學和其他大數據科學研究工作的人們）中非常受歡迎。然後，我們擁有全 SLC SSD，對於執行寫入密集型工作負載或需要穩態性能的人來說非常有用，以便您可以爆發和維持相同的性能。在消費領域，我們將專注於平衡，偏向於遊戲的密度和性能。對於價值市場和中等市場，需要在成本和特定工作負載需求之間進行權衡，因為如果您使用的只是瀏覽器，則不需要瘋狂的性能。

MSI：對於遊戲來說，似乎大多數 SSD 都選擇了帶有 SLC 緩存的 TLC 內存。但如果您想在相同的物理芯片尺寸內獲得更大的容量，是否必須採用 QLC？

塞巴斯蒂安： 不好了。我們現在可以製作最大8TB的M.2格式的TLC SSD和最大16TB的U.2格式的SSD，但是16TB的SSD相當昂貴。

MSI：遊戲的尺寸不斷增加，您需要下載大量的高清紋理和其他數據。我們開始看到 8 TB 和 16 TB TLC M.2 變得更便宜只是時間問題嗎？

塞巴斯蒂安： 是的，它們肯定會變得更加便宜，因為 NAND 供應商總是在增加芯片的密度以降低成本。所以，TLC還會繼續有生命力。但 QLC 在非遊戲應用中變得非常有趣。你可以在QLC SSD上玩遊戲，因為流量主要是讀，而QLC擅長讀。它只是不擅長寫入，速度要慢得多。但我想說，密度將繼續上升。價格將繼續下降。成本與密度的最佳點正在上升：上一代是 1 TB。下一代將是 2 TB，再往後的三四代將是 4 TB。因此，對於除遊戲之外的任何應用程序，您可能會看到更多的 QLC，因為大多數人使用驅動器所做的就是讀取數據 - 您編寫一次 Windows 操作系統，然後從它啟動無數次。當然，有補丁並且它們會進入，但速度沒有那麼高。