NAND Flash 101：简化的企业级 SSD 外形

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

当今的企业数据中心不断面临着平衡功率、速度和冷却效率与服务器机架有限空间的独特挑战。在存储方面，找到适当的平衡点就显得更加重要。然而，实现这种平衡的主要障碍之一是外形因素。许多传统外形尺寸是为硬盘驱动器 (HDD) 而设计的，而不是为固态驱动器 (SSD) 设计的。因此，它们缺乏大型数据中心所需的冷却效率和存储容量。以下是 NAND 闪存概述，讨论了这些挑战并提供了帮助数据中心决策的解决方案。

闪存

NAND 闪存是一种非易失性存储器。因此，它不需要恒定的电源来保留存储的数据。就像硬盘一样，断电后数据不会丢失。此外，NAND 闪存的读取、写入和擦除速度比典型 HDD 更快。与 HDD 相比，它们还具有更大的面密度并且功耗更低。

企业存储当前面临的挑战

随着消费技术固态硬盘 (SSD) 的出现，企业看到了从传统硬盘驱动器 (HDD) 切换到 SSD 的好处。 SSD 的优势包括：

- - 比 HDD 更耐用
  - 更快的传输速度
  - 更强大、更节能
  - 尺寸更实用

尽管有这些好处，但改用这些更高效的驱动器并非没有挑战。这些驱动器的外形尺寸给企业数据中心带来了独特的挑战。 SSD 外壳有 2.5 英寸和 3.5 英寸两种尺寸，与 HDD 尺寸相同。这使得公司可以轻松过渡到 SSD，而无需对基础设施进行重大修改。

然而，2.5 英寸和 3.5 英寸机箱的机械设计最初是为 HDD 等旋转介质设计的。因此，它们会阻碍气流并限制 SSD 的可扩展性。这些挑战催生了新技术，以更好地满足企业数据中心的需求。

NAND 闪存：M.2 外形尺寸及其注意事项

M.2 是一种 NAND 闪存外形规格（以前称为下一代外形规格），是一种内部安装的扩展卡，可使用 M.2 插槽直接插入主板。 M.2 最初是为空间有限的移动平台和消费设备而设计的。因此，M.2 的小尺寸使其成为企业服务器的理想选择。

M.2 面临的挑战

数据中心的关键要求之一是超扩展能力。因此，存储容量和热优化至关重要。遗憾的是，M.2 的尺寸限制了容量可扩展性和冷却效率。此外，M.2不支持热插拔，因此在运行时系统维护比较困难。

NAND 闪存：附加卡 (AIC) 作为 PCIe SSD 外形尺寸的演变

随着技术的进步，多年来对计算速度和能力的需求不断增加。附加卡 (AIC) 也称为 PCIe 卡（外围组件互连 Express），通过提供一个接口，通过 PCIe 插槽将组件直接插入主板，从而适应这些进步。

PCIe 卡增加带宽

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 插槽来增加带宽。

优化的冷却效率

具有 AIC 外形规格的 SSD 更适合高性能用例。（图 3）PCIe 卡还提供更大的面积来放置更多 NAND 闪存封装，同时优化冷却效率。许多供应商提供带有散热器和风扇的 PCIe 卡 SSD 解决方案，以保持较低的温度并确保 SSD 全速运行。

PCIe 卡的缺点

PCIe卡通常安装在服务器机箱内部，维护起来不方便。维修此类卡需要您拆下服务器的盖子才能访问该设备。

尽管这些卡提供了更高的性能，但您必须放弃一个 PCIe 插槽。鉴于机架中插槽的可用性有限，它们通常保留给带宽要求高于 SSD 的设备（例如显卡）。因此，只有当工作负载需要如此高性能时，才会安装具有 AIC 外形规格的 SSD。

NAND 闪存：EDSFF 作为下一代外形尺寸

尽管上述 NAND 闪存外形尺寸各有优势，但它们并未针对企业数据中心进行优化。因此，一个新的 SSD 外形系列诞生了，称为 EDSFF。 EDSFF 代表企业和数据中心 SSD 外形尺寸。该外形尺寸专为企业和数据中心应用程序而设计。该 NAND 闪存外形尺寸系列包含多种变体：（图 4）

- - E1.S
  - E1.L
  - E3

EDSFF 的目标包括：

- - 提供更多动力
  - 允许热插拔
  - 增加每个机架单元的存储容量和密度
  - 降低冷却成本

EDSFF 解决什么问题？

EDSFF 解决了服务器机架空间最大化的问题，同时提高了冷却效率。它还支持未来扩展的可扩展性。借助 SFF-TA-1002 连接器，EDSFF 可以支持 PCIe x4、x8、x16 通道和高达 112Gbps 的信号传输。

EDSFF 已为未来做好准备

考虑到这些特性，EDSFF 可以支持 PCIe 4.0 和 PCIe 5.0，并且我们预计 EDSFF 也可以与 PCIe 6.0 兼容。此外，EDSFF 成为 SNIA 的 NAND 闪存外形标准，并被 OCP 采用。各大SSD厂商均支持EDSFF，并推出带有EDSFF的SSD产品。群联电子还与 EDSFF 合作开发企业级 SSD 产品，即将推出。

EDSFF E1.S

E1.S 是 EDSFF 系列的三个变体中最受欢迎的。其机械设计是为了取代数据中心使用的M.2驱动器。（图 5）它提供了更高的密度和更高的功率，同时保持了较小的尺寸。

口香糖棒状的E1.S可以垂直安装在1U空间内。一台1U存储服务器最多可支持32个E1.S存储驱动器。[1]这使得数据中心能够扩展存储容量并支持数据和应用程序的增长。

由于采用 12V 电源，E1.S 可以容纳比 M.2 更高的功率级别，并节省 12V 至 3.3V 的稳压器。然而，较高的功率水平可能会导致 SSD 变热，尤其是当 SSD 以最高性能运行时。因此，E1.S为五种不同厚度的散热器预留了安装孔，以提高冷却效率并减少所需的气流。（图 6）裸 PCBA 的 5.9 毫米厚度和带散热器的 8.01 毫米厚度适用于功耗较低的用例。

对于高达 20W 的功耗，可以使用 9.5mm 厚的对称外壳，这使得该设备看起来像是 E1.L 的缩短版。对于更高功率的用例，可以应用 15 毫米或 25 毫米厚度的不对称外壳来更有效地散热。密度和冷却效率总是相互矛盾的。 Microsoft Azure 认为 15 毫米不对称外壳是 9.5 毫米和 25 毫米厚度之间的良好平衡。 9.5 毫米的厚度无法提供足够的冷却，而 25 毫米的外壳则牺牲了太多的空间。

EDSFF E1.L

E1.L原名尺子，设计为长尺子形状，针对1U服务器进行了优化。最大化的电路板空间可以支持更多的NAND闪存封装并提高冷却效率。

通常，我们将 U.2 外形规格用于大容量驱动器，但有时大容量 U.2 驱动器是用两个折叠的 PCB 构建的。内部的部件就像是三明治的中间，这些部件产生的热量很难被冷却。

E1.L 通过将所有区域分散到表面以及金属外壳的两种厚度选项来解决散热问题。（图 7）与 U.2 外形尺寸相比，它仅需要 55% 更少的气流，并且电力成本也显着降低。 [2] E1.L 是最密集的存储 NAND 闪存外形尺寸。装满E1.L硬盘的单台1U存储服务器可达1PB容量。企业数据中心可以使用 E1.L 来提高密度，同时降低总拥有成本 (TCO)。

EDSFF E3

E3 与 EDSFF 系列中其他 NAND 闪存外形尺寸的最大区别在于形状。它看起来与传统的 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 外形规格

E3 旨在取代 2.5 英寸 U.2 外形尺寸，具有 U.2 所不具备的优势。形状的相似性使得从 U.2 到 E3 的轻松过渡。一些服务器厂商提供机箱解决方案，可以同时支持U.2和E3，允许数据中心将存储设备从U.2逐步转移到E3，而不是一次性更换所有U.2设备。

E3尺寸

E3 针对 1U 和 2U 服务器进行了优化，具有四种不同类型的外形尺寸。 E3.L、E3.S 以及单宽度或双宽度。（图 8）业界将单宽度称为“1T”，将双宽度称为“2T”。 T代表厚度。 2T通常用于产生较多热量的大功率设备，例如计算存储和大容量存储，因为散热效果更好。

E3 的灵活性

E3的内部也很灵活。小尺寸的 E1.S PCBA 可以安装在 E3 外壳中，因此具有 E3 外形尺寸的低容量存储可以利用 E1.S PCBA 来降低成本。（图9）此外，E3不仅仅支持SSD；它可以支持多种设备类型，如持久内存、GPU、NIC 等。

未来或 EDSFF

EDSFF 正在迅速获得更多采用者。这种多功能的外形满足数据中心对密度、功率、容量、性能和冷却的需求。因此，SSD 供应商与服务器提供商正在构建更新的基础设施来适应 EDSFF。

尽管向 EDSFF 过渡存在一些挑战；例如，服务器机箱应重新设计以适应 EDSFF。预计 EDSFF 未来将得到广泛部署，并取代过时的 2.5 英寸和 M.2 外形规格。（图10）

要优化存储空间，同时平衡功耗、速度和冷却效率，企业需要更多地关注存储驱动器的外形尺寸。虽然有很多可用的工具，但只有少数适合在数据中心使用。 EDSFF 是下一代存储外形尺寸，占用最小的空间，同时仍提供高密度和高功率存储选项。