视频：SSD 控制器技术的未来 – PCIe Gen5 及更高版本概览

2021年11月，微星采访了群联科技首席技术官Sebastien Jean，以了解更多关于SSD的未来 赌博 特别是关于群联在其新的 M.2 PCIe Gen5 卡上所做的工作。热烈的对话涵盖了从 SSD 控制器设计、性能改进和热管理到供应链挑战以及 Gen5、Gen6 及更高版本的最佳用例等方方面面。

我们整理了以下一些亮点。享受。

MSI：让我们从基础开始。什么是存储控制器以及它在 SSD 中的功能是什么？

塞巴斯蒂安： SSD 通常由三个主要部分组成：控制器、高速缓存（速度非常快的内存）以及 3D NAND 闪存本身（所有数据最终存储在其中）。

SSD 控制器有多个组件。第一个是处理元件（Phison 通常使用 ARM Cortex-R5）。如果你仔细想想，SSD 本质上是一个管道处理单元。这就像一条装配线。当你收到命令时，你首先必须对其进行解码，了解它是什么，然后开始做出决定。该装配线的每个部分都会在非常短的时间内（几分之一微秒）查看命令。根据 SSD 中 NAND 的数量，您可以拥有 20 到 3 或 400 个并行点。当您使用真正先进的企业级 SSD 驱动器时，您需要深度队列来让它们保持忙碌，以充分发挥 1、2 或 300 万 IOPS 的潜力。

控制器的下一个组件称为 ECC（纠错码）引擎，用于纠正 NAND 上的错误。 NAND 会受到热量和时间的影响，因此位可能会开始翻转。群联已经开发出非常强大的 EEC发动机 纠正所有这些自然发生的错误，这是任何 SSD 驱动器的基本要求。

MSI：那么，ECC 不在闪存本身上吗？

塞巴斯蒂安： 编码并附加到数据的 ECC 位位于闪存上，但闪存本身不具备处理它们的能力，这会使闪存过于昂贵。因此，ECC 单元内置于存储控制器中。存储控制器具有 SRAM（一个或多个 CPU 微核）以及 ECC、密码学等加速器以及其他类似功能。

MSI：您提到使用 ARM R5 处理器。如果您升级到更快的速度，这会对性能有所帮助吗？

塞巴斯蒂安： 用更大的内核替换内核并不一定会提高性能。更大的核心具有更大的硅面积，这使得芯片和 SSD 整体上更加昂贵。因此，从根本上来说，当您构建 SSD 时，您希望将其视为基于其所服务的工作负载或应用程序的平衡行为。例如，您可以制作具有四个非常大的核心的 SSD，也可以构建具有许多较小核心的 SSD。在 SSD 中拥有多个处理器的优点是，您不必用自己的一小部分时间来运行每个进程并进行大量调度。对于 PC 上的 CPU 来说这可能没问题，但对于 SSD 来说就浪费了开销。因此，正如我之前所说，我们有 20 个核心的多个并行点，每个核心执行一项小工作，从而推动为命令提供服务的工作。

MSI：我们今天讨论的是你们的旗舰型号之一，PCIe Gen4，速度可达 7 GB/s。您的控制器采用 12 纳米制成。如果采用 10 纳米甚至 7 纳米，能否获得更高的吞吐量？

塞巴斯蒂安： 是和不是。 Phison 针对特定带宽和 IOPS 目标生产 SSD 控制器，因此我们的一些中级控制器可能设计为 5 GB/s，而更高级的控制器则设计为 7 GB/s。采用更新、更快的工艺节点并不一定是正确的选择。同样，这取决于应用程序和我们想要做什么。从根本上来说，归结为以合理的价格提供最好的技术的平衡。

但要回答您的问题，切换流程节点将为您做一些事情。芯片会变得更小，但是在这种特殊情况下我们没有尺寸限制。它允许您将内部频率设置得更快一些，但我们不需要更快地满足当前的性能节点。它确实减少了泄漏。所有硅晶体管都会泄漏一点电流，即使您没有切换，因此采用更小的工艺节点会对此有很大帮助。相反，如果您跳上最新的工艺节点，而您并不真正需要它，那么您所做的只是购买成本，这会使您的 SSD 更加昂贵，而没有任何额外好处。如果您要制造运行频率为 2 GHz 的 CPU（使用少量大/快速内核时通常会出现这种情况），那么您需要最新的工艺节点。对于 SSD，进步并不总是与最新的工艺节点有关。这是关于智能设计，例如通过并行性来解决问题并降低频率。您可能会过早地跳到最新的工艺节点，而无法推进您的技术。

微星：如果使用DDR4或DDR5内存，M.2 SSD性能会提高吗？

塞巴斯蒂安： 群联生产 DRAM 和无 DRAM 的 SSD，但使用 DRAM 的 SSD 极力不使用 DDR 内存。快速路径实际上并不经过 DDR；它先经过 SRAM，然后经过数据路径。 DDR用于逻辑到物理地址转换，因此实际的表带宽要求小于SSD带宽，因此DDR4或DDR5没有太大区别。很长一段时间以来，我们都对 DDR3 感到满意。我们当前的型号使用 DDR4，我们正在开发的型号正在转向 DDR5。在某种程度上，为了降低成本，采用主导工艺节点是有意义的。如果你在旧节点上停留太久并且供应量下降，价格就会上涨。

MSI：E16，您的第一个 PCIe Gen4 控制器，是向前迈出的一大步。然后你介绍了E18。这是计划还是 E18 控制器的引入是为了解决技术挑战，以真正从 SSD 中获得这些速度？

塞巴斯蒂安： 这是一个有趣的问题。这俩 E16 和 E18 被计划了。我们当时试图做的是满足上市时间要求。 Gen4当时还是一个很大的问号。我们在产品上市之前很久就与 CPU 供应商进行了交谈，他们总是在启用新技术，这些新技术可能会或可能不会在他们的下一个产品中启用，即使它可能在芯片中。所以，业内对于是否开启Gen4存在很多疑问。当我们得到 AMD（第一个将 Gen4 推向市场的产品）已致力于 Gen4 的积极确认时，我们承诺并将 E16 推向市场，以与平台发布同时进行。我们不仅是第一个向市场推出 Gen4 SSD 的公司，而且在大约 18 个月的时间里，我们是客户端领域市场上唯一的 Gen4 SSD。当我们的竞争对手推出第一代 Gen4 产品时，我们已经发布了第二代产品。所以，是的，E18 正在使接口饱和，这在很大程度上要归功于我们从 E16 中学到的所有经验教训，E16 是我们在该领域的第一个 ASIC。

MSI：你几乎已经触及了 Gen4 的能力极限。是否有任何改进的空间，例如，您是否正在研究 IOPS 性能等领域？

塞巴斯蒂安： 您始终可以提高 IOPS，但这会直接影响 ASIC 成本。在 E18 所在的客户领域，当前一代正是它所需要的。我们可以将 IOPS 加倍，但我不确定平台是否可以利用它。我们几乎已经接近 Gen4 的原始速度限制，但还有其他方法可以优化，也许仍然可以从中获得更多。

MSI：这是否意味着将会有E19？

塞巴斯蒂安： 有 E19，但它的目标是无 DRAM 的空间，该空间更注重价值而不是性能。从游戏玩家的角度来看，我想你想问的是会有E18 plus还是super Turbo？简而言之，答案是否定的——第四代技术的可能性已经饱和。但是，我们将继续利用 E18 和 Gen4 将该技术渗透到其他泳道中。由于 E19 的目标是降低成本，因此它不会使接口饱和。因此，刷新将增加更多 GB/s 并提高 IOPS。因此，随着我们继续从 12 纳米过渡到下一个工艺节点（7 纳米），在该领域仍有发展空间。

MSI：您认为直接存储会加速 Gen4 市场的发展吗？

塞巴斯蒂安： 我认为它总体上加速了计算，尤其是在客户端领域。从根本上来说，直接存储是一种绕过 NTFS 层的只读接口。 NTFS 是 Windows 的标准文件系统，注重可靠性，并且已经存在很长时间了。它内部有很多层，每一层都会增加一点延迟。直接存储的作用是为您提供通往 SSD 的直接管道，并尽可能少地进行处理。操作系统增加了尽可能少的延迟，并且它是一个只读接口。因此，需要快速 I/O 的只读工作负载（主要是客户端空间中的游戏）将受益于直接存储。这种低延迟管道本质上是游戏、手机、平板电脑和个人电脑的计算所在。

MSI：群联科技在这些新技术上的研发工作提前了多久？

塞巴斯蒂安： SSD 本身需要六到十八个月的时间，具体取决于我们对其内部进行的更改程度。但是，在 ASIC 真正成为产品之前，实现下一个硅工艺节点的技术通常需要两到三年的时间。因此，我们非常了解 Gen6，并且已经开始设计支持 Gen6 SSD 的低级组件，但让我谈谈为什么从计算角度来看 Gen5 如此有趣。

DDR4 2133 每个通道大约为 14 GB/s，游戏 PC 有四到六个通道。现在，有了 Gen5x4，我们就有了 14 GB SSD。确实，下一代主板上现在有更快的 DDR4 和 DDR5，但这并不是重点。我们现在可以将 SSD 存储和 DRAM 相提并论，在同一空间中运行。 SSD 永远不会取代 DRAM，因为 DRAM 针对 64 位 I/O 进行了优化 – 它具有超低延迟。但是，如果从缓存的角度来看，CPU 具有 L1、L2、L3 RAM 缓存，而 Gen5 SSD 可以以与 DDR 相同的速度作为 L4 缓存运行。因此，现在 SSD 的自然粒度与 CPU 的缓存架构相一致，这就是开始改变计算机总体工作方式的地方。

MSI：太棒了。您认为这些新产品未来面临的最大挑战是什么？

塞巴斯蒂安： 随着每一代产品的速度不断提高，我们的挑战将继续是控制热量。但如果你看看 PC 的发展方向这一更大的问题，客户端领域的一种认识是，M.2 PCIe Gen5 正在达到其发展方向的极限，实际接口或连接器将成为 PC 发展的瓶颈。未来的速度。因此，新的连接器正在开发中，并将在未来几年内上市，这将大大提高 SSD 通过传导到主板的信号完整性和散热能力。

MSI：供应链问题呢？我们尤其看到显卡的短缺，但许多其他组件和材料也出现短缺。这对群联和你们产品的一致性有何影响？

塞巴斯蒂安： 全球供应链的各种短缺并没有真正影响群联电子。 SSD 有一些特别独特的组件。其中包括控制器，可能包括 DRAM、NAND 和电源管理 IC (PMIC)。其他一切都是分立的——电容器和电阻器——而且不乏这些。对于NAND和DRAM，群联有长期供应协议，我们预先采购它们以始终有库存。 PMIC供应短缺实际上是许多制造商的问题，但我们自己制造。当群联开发新的SSD控制器时，我们也同时设计PMIC并制造两者。

我们从大量交易中受益。大约 20 年前，群联刚成立时，我们只是一家普及 USB 拇指驱动器的小公司。如今，我们提供各种类型的存储，从医疗、工业、运输、航空航天、游戏、工作站和企业解决方案到手机、汽车和物联网中的嵌入式存储。正因为如此，我们的交易量非常大。因此，只要我们继续提前做好预测并管理关键组件的库存，就不会出现问题。

MSI：它会始终保持平衡，还是您认为存储的未来会更加关注容量而不是速度和容量？

塞巴斯蒂安： 行业中的一切都在朝着更高密度、更高速度的方向发展。客户空间可能会保持平衡，优质产品的速度和密度都会提高，这有点沿着我们过去几年看到的技术曲线。但群联为各种市场的各种不同专业应用生产 SSD。我们拥有超高密度 16 TB QLC SSD，在高性能计算市场（从事数据库分析、人工智能/机器学习、基因组学和其他大数据科学研究工作的人们）中非常受欢迎。然后，我们拥有全 SLC SSD，对于执行写入密集型工作负载或需要稳态性能的人来说非常有用，以便您可以爆发和维持相同的性能。在消费领域，我们将专注于平衡，偏向于游戏的密度和性能。对于价值市场和中等市场，需要在成本和特定工作负载需求之间进行权衡，因为如果您使用的只是浏览器，则不需要疯狂的性能。

MSI：对于游戏来说，似乎大多数 SSD 都选择了带有 SLC 缓存的 TLC 内存。但如果您想在相同的物理芯片尺寸内获得更大的容量，是否必须采用 QLC？

塞巴斯蒂安： 不好了。我们现在可以制作最大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相当昂贵。

MSI：游戏的尺寸不断增加，您需要下载大量的高清纹理和其他数据。我们开始看到 8 TB 和 16 TB TLC M.2 变得更便宜只是时间问题吗？

塞巴斯蒂安： 是的，它们肯定会变得更加便宜，因为 NAND 供应商总是在增加芯片的密度以降低成本。所以，TLC还会继续有生命力。但 QLC 在非游戏应用中变得非常有趣。你可以在QLC SSD上玩游戏，因为流量主要是读，而QLC擅长读。它只是不擅长写入，速度要慢得多。但我想说，密度将继续上升。价格将继续下降。成本与密度的最佳点正在上升：上一代是 1 TB。下一代将是 2 TB，再往后的三四代将是 4 TB。因此，对于除游戏之外的任何应用程序，您可能会看到更多的 QLC，因为大多数人使用驱动器所做的就是读取数据 - 您编写一次 Windows 操作系统，然后从它启动无数次。当然，有补丁并且它们会进入，但速度没有那么高。