NAND Flash 101：簡化的企業級 SSD 外形

作者廖路易斯 | 2021 年 8 月 23 日 | 全部, NAND閃存101, 技術

當今的企業數據中心不斷面臨著平衡功率、速度和冷卻效率與服務器機架有限空間的獨特挑戰。在存儲方面，找到適當的平衡點就顯得更加重要。然而，實現這種平衡的主要障礙之一是外形因素。許多傳統外形尺寸是為硬盤驅動器 (HDD) 而設計的，而不是為固態驅動器 (SSD) 設計的。因此，它們缺乏大型數據中心所需的冷卻效率和存儲容量。以下是 NAND 閃存概述，討論了這些挑戰並提供了幫助數據中心決策的解決方案。

閃存

NAND 閃存是一種非易失性存儲器。因此，它不需要恆定的電源來保留存儲的數據。就像硬盤一樣，斷電後數據不會丟失。此外，NAND 閃存的讀取、寫入和擦除速度比典型 HDD 更快。與 HDD 相比，它們還具有更大的面密度並且功耗更低。

企業存儲當前面臨的挑戰

隨著消費技術固態硬盤 (SSD) 的出現，企業看到了從傳統硬盤驅動器 (HDD) 切換到 SSD 的好處。 SSD 的優勢包括：

- - 比 HDD 更耐用
  - 更快的傳輸速度
  - 更強大、更節能
  - 尺寸更實用

儘管有這些好處，但改用這些更高效的驅動器並非沒有挑戰。這些驅動器的外形尺寸給企業數據中心帶來了獨特的挑戰。 SSD 外殼有 2.5 英寸和 3.5 英寸兩種尺寸，與 HDD 尺寸相同。這使得公司可以輕鬆過渡到 SSD，而無需對基礎設施進行重大修改。

然而，2.5 英寸和 3.5 英寸機箱的機械設計最初是為 HDD 等旋轉介質設計的。因此，它們會阻礙氣流並限制 SSD 的可擴展性。這些挑戰催生了新技術，以更好地滿足企業數據中心的需求。

NAND 閃存：M.2 外形尺寸及其註意事項

M.2 是一種 NAND 閃存外形規格（以前稱為下一代外形規格），是一種內部安裝的擴展卡，可使用 M.2 插槽直接插入主板。 M.2 最初是為空間有限的移動平台和消費設備而設計的。因此，M.2 的小尺寸使其成為企業服務器的理想選擇。

M.2 面臨的挑戰

數據中心的關鍵要求之一是超擴展能力。因此，存儲容量和熱優化至關重要。遺憾的是，M.2 的尺寸限制了容量可擴展性和冷卻效率。此外，M.2不支持熱插拔，因此在運行時系統維護比較困難。

NAND 閃存：附加卡 (AIC) 作為 PCIe SSD 外形尺寸的演變

隨著技術的進步，多年來對計算速度和能力的需求不斷增加。附加卡 (AIC) 也稱為 PCIe 卡（外圍組件互連 Express），通過提供一個接口，通過 PCIe 插槽將組件直接插入主板，從而適應這些進步。

PCIe 卡增加帶寬

PCIe 卡可以提供比 M.2 更高的性能。然而，M.2 使用 x4 插槽，而 PCIe 卡可以使用 x8 甚至 x16 插槽來增加帶寬。

優化的冷卻效率

具有 AIC 外形規格的 SSD 更適合高性能用例。（圖 3）PCIe 卡還提供更大的面積來放置更多 NAND 閃存封裝，同時優化冷卻效率。許多供應商提供帶有散熱器和風扇的 PCIe 卡 SSD 解決方案，以保持較低的溫度並確保 SSD 全速運行。

PCIe 卡的缺點

PCIe卡通常安裝在服務器機箱內部，維護起來不方便。維修此類卡需要您拆下服務器的蓋子才能訪問該設備。

儘管這些卡提供了更高的性能，但您必須放棄一個 PCIe 插槽。鑑於機架中插槽的可用性有限，它們通常保留給帶寬要求高於 SSD 的設備（例如顯卡）。因此，只有當工作負載需要如此高性能時，才會安裝具有 AIC 外形規格的 SSD。

NAND 閃存：EDSFF 作為下一代外形尺寸

儘管上述 NAND 閃存外形尺寸各有優勢，但它們並未針對企業數據中心進行優化。因此，一個新的 SSD 外形系列誕生了，稱為 EDSFF。 EDSFF 代表企業和數據中心 SSD 外形尺寸。該外形尺寸專為企業和數據中心應用程序而設計。該 NAND 閃存外形尺寸系列包含多種變體：（圖 4）

- - E1.S
  - E1.L
  - E3

EDSFF 的目標包括：

- - 提供更多動力
  - 允許熱插拔
  - 增加每個機架單元的存儲容量和密度
  - 降低冷卻成本

EDSFF 解決什麼問題？

EDSFF 解決了服務器機架空間最大化的問題，同時提高了冷卻效率。它還支持未來擴展的可擴展性。借助 SFF-TA-1002 連接器，EDSFF 可以支持 PCIe x4、x8、x16 通道和高達 112Gbps 的信號傳輸。

EDSFF 已為未來做好準備

考慮到這些特性，EDSFF 可以支持 PCIe 4.0 和 PCIe 5.0，並且我們預計 EDSFF 也可以與 PCIe 6.0 兼容。此外，EDSFF 成為 SNIA 的 NAND 閃存外形標準，並被 OCP 採用。各大SSD廠商均支持EDSFF，並推出帶有EDSFF的SSD產品。群聯電子還與 EDSFF 合作開發企業級 SSD 產品，即將推出。

EDSFF E1.S

E1.S 是 EDSFF 系列的三個變體中最受歡迎的。其機械設計是為了取代數據中心使用的M.2驅動器。（圖 5）它提供了更高的密度和更高的功率，同時保持了較小的尺寸。

口香糖棒狀的E1.S可以垂直安裝在1U空間內。一台1U存儲服務器最多可支持32個E1.S存儲驅動器。[1]這使得數據中心能夠擴展存儲容量並支持數據和應用程序的增長。

由於採用 12V 電源，E1.S 可以容納比 M.2 更高的功率級別，並節省 12V 至 3.3V 的穩壓器。然而，較高的功率水平可能會導致 SSD 變熱，尤其是當 SSD 以最高性能運行時。因此，E1.S為五種不同厚度的散熱器預留了安裝孔，以提高冷卻效率並減少所需的氣流。（圖 6）裸 PCBA 的 5.9 毫米厚度和帶散熱器的 8.01 毫米厚度適用於功耗較低的用例。

對於高達 20W 的功耗，可以使用 9.5mm 厚的對稱外殼，這使得該設備看起來像是 E1.L 的縮短版。對於更高功率的用例，可以應用 15 毫米或 25 毫米厚度的不對稱外殼來更有效地散熱。密度和冷卻效率總是相互矛盾的。 Microsoft Azure 認為 15 毫米不對稱外殼是 9.5 毫米和 25 毫米厚度之間的良好平衡。 9.5 毫米的厚度無法提供足夠的冷卻，而 25 毫米的外殼則犧牲了太多的空間。

EDSFF E1.L

E1.L原名尺子，設計為長尺子形狀，針對1U服務器進行了優化。最大化的電路板空間可以支持更多的NAND閃存封裝並提高冷卻效率。

通常，我們將 U.2 外形規格用於大容量驅動器，但有時大容量 U.2 驅動器是用兩個折疊的 PCB 構建的。內部的部件就像是三明治的中間，這些部件產生的熱量很難被冷卻。

E1.L 通過將所有區域分散到表面以及金屬外殼的兩種厚度選項來解決散熱問題。（圖 7）與 U.2 外形尺寸相比，它僅需要 55% 更少的氣流，並且電力成本也顯著降低。 [2] E1.L 是最密集的存儲 NAND 閃存外形尺寸。裝滿E1.L硬盤的單台1U存儲服務器可達1PB容量。企業數據中心可以使用 E1.L 來提高密度，同時降低總擁有成本 (TCO)。

EDSFF E3

E3 與 EDSFF 系列中其他 NAND 閃存外形尺寸的最大區別在於形狀。它看起來與傳統的 2.5 英寸外形相似，但最多支持 x16 PCIe 通道和 70W 功率。

E3 取代 U.2 外形尺寸

E3 旨在取代 2.5 英寸 U.2 外形尺寸，具有 U.2 所不具備的優勢。形狀的相似性使得從 U.2 到 E3 的輕鬆過渡。一些服務器廠商提供機箱解決方案，可以同時支持U.2和E3，允許數據中心將存儲設備從U.2逐步轉移到E3，而不是一次性更換所有U.2設備。

E3尺寸

E3 針對 1U 和 2U 服務器進行了優化，具有四種不同類型的外形尺寸。 E3.L、E3.S 以及單寬度或雙寬度。（圖 8）業界將單寬度稱為“1T”，將雙寬度稱為“2T”。 T代表厚度。 2T通常用於產生較多熱量的大功率設備，例如計算存儲和大容量存儲，因為散熱效果更好。

E3 的靈活性

E3的內部也很靈活。小尺寸的 E1.S PCBA 可以安裝在 E3 外殼中，因此具有 E3 外形尺寸的低容量存儲可以利用 E1.S PCBA 來降低成本。（圖9）此外，E3不僅僅支持SSD；它可以支持多種設備類型，如持久內存、GPU、NIC 等。

未來或 EDSFF

EDSFF 正在迅速獲得更多采用者。這種多功能的外形滿足數據中心對密度、功率、容量、性能和冷卻的需求。因此，SSD 供應商與服務器提供商正在構建更新的基礎設施來適應 EDSFF。

儘管向 EDSFF 過渡存在一些挑戰；例如，服務器機箱應重新設計以適應 EDSFF。預計 EDSFF 未來將得到廣泛部署，並取代過時的 2.5 英寸和 M.2 外形尺寸。（圖10）

要優化存儲空間，同時平衡功耗、速度和冷卻效率，企業需要更多地關注存儲驅動器的外形尺寸。雖然有很多可用的工具，但只有少數適合在數據中心使用。 EDSFF 是下一代存儲外形尺寸，佔用最小的空間，同時仍提供高密度和高功率存儲選項。