閃存技術(shù)發(fā)展趨勢及在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

□ 文 孫翠鋒 王祎晨

一、傳統(tǒng)存儲技術(shù)發(fā)展面臨瓶頸

到PB級出貨容量的就有數(shù)百例，存儲集群容量已經(jīng)達到EB級。從存儲設(shè)備的讀寫性能來看，某些核心應(yīng)用已經(jīng)要求存儲設(shè)備支持百萬級的IOPS（每秒讀寫次數(shù)）和TB級帶寬。

在新的發(fā)展需求下，傳統(tǒng)存儲技術(shù)HDD存在的局限性決定了它已經(jīng)無法勝任，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界開始將目光轉(zhuǎn)向存儲密度高、容量大、訪問速度快的新型存儲技術(shù)，而現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的當(dāng)屬閃存存儲技術(shù)。進入2010年以來，閃存技術(shù)憑借快速讀寫的優(yōu)勢逐漸擴大市場，年出貨量增幅穩(wěn)定在30%左右并仍有上升之勢。

長期以來，機械硬盤（HDD）一直作為數(shù)據(jù)中心主要的存儲設(shè)備存在，在企業(yè)存儲市場獨占鰲頭。機械硬盤內(nèi)部包括一至數(shù)片高速轉(zhuǎn)動的磁盤，其存取速度的快慢取決于盤片的旋轉(zhuǎn)速度，但是旋轉(zhuǎn)速度的提高會帶來發(fā)熱、磨損等諸多問題，在現(xiàn)有機械技術(shù)上想要大幅提高機械硬盤的轉(zhuǎn)速已經(jīng)十分困難，因此機械硬盤讀寫速度的提升必然面臨天花板，很難再獲得較大的飛躍。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代信息技術(shù)迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心在短時間內(nèi)要處理和存儲的數(shù)據(jù)體量從TB向PB、EB、ZB發(fā)展，對存儲設(shè)備的讀寫技術(shù)提出了更高要求。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）公布的2019年上半年《中國企業(yè)級存儲系統(tǒng)市場調(diào)查數(shù)據(jù)報告》數(shù)據(jù)顯示，2019年上半年中國存儲市場出貨量66519套，其中單套存儲達

二、閃存存儲技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 閃存存儲技術(shù)概況

與H D D硬盤相比，閃存（flash memory）具有傳輸速率高、延遲低、能耗低、噪聲低、抗震等優(yōu)良特性。固態(tài)硬盤（SSD）是目前閃存存儲的最主要形式，主要由兩大模塊組成：主控和閃存顆粒。當(dāng)下主流的閃存顆粒主要是NAND FLASH芯片類存儲介質(zhì)，它具有高密度、成本低的優(yōu)勢。SSD的容量主要就取決于閃存顆粒，而閃存顆粒是由晶體管組成的，晶體管越小，閃存的密度就越高，相對應(yīng)的SSD的容量就越大?？梢詮亩鄠€維度對SSD進行分類：

（一）從SSD的接口類型進行區(qū)分，目前市場上的企業(yè)級SSD主要包括SATA/SAS SSD、PCIe SSD等類型。在實際使用中，SATA SSD的數(shù)據(jù)交換速率在500Mbit/s到600Mbit/s之間，對比之下PCIe SSD具有更高的性能。在PCIe SSD中，傳輸速率可以在1.5Gbit/s到3Gbit/s的范圍內(nèi)移動。

（二）從SSD的協(xié)議類型進行區(qū)分，SSD主要有AHCI協(xié)議和NVMe協(xié)議兩種傳輸協(xié)議，采用NVMe協(xié)議的SSD，其讀寫速度要遠遠高于采用AHCI協(xié)議的SSD的讀寫速度。

（三）從生產(chǎn)工藝區(qū)分，SSD包括2D NAND SSD和3D NAND SSD。目前，最先進的2D閃存顆粒工藝是20nm，再往更小體積的晶體管發(fā)展，過小的晶體管體積和過大的晶體管數(shù)量，會降低閃存的穩(wěn)定性與可靠性，不利于閃存技術(shù)的長遠發(fā)展。因此，全球各大主流閃存廠商紛紛發(fā)力3D晶體管研發(fā)，為閃存顆粒技術(shù)帶來了重大突破，徹底解決了因制程極限而無法提高閃存單位存儲容量的問題，閃存成品也從2D NAND SSD升級至 3D NAND SSD，同時成本也大大降低。隨著技術(shù)的不斷進步，3D閃存堆疊高度從30-40層，逐步發(fā)展到目前主流的64層甚至更多，從而可以實現(xiàn)更高的存儲密度和容量。

表1 SSD硬盤分類

根據(jù)上述介紹，表1給出了SSD硬盤從不同角度的分類情況。

2.2 國內(nèi)外閃存技術(shù)差距對比

從SSD的兩大核心部件（主控和閃存顆粒）的主流廠商看，在閃存顆粒方面，這些廠商擁有世界上絕大多數(shù)的產(chǎn)能。從閃存成品來看，目前閃存成品包括全閃存和混合閃存兩類。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）發(fā)布的2019Q4《中國企業(yè)級外部存儲市場季度跟蹤報告》，2019年中國全閃存存儲的出貨量實現(xiàn)了58.6%的大幅度增長，遠遠高于整體存儲市場16.8%的增長率。

從國內(nèi)外廠商實力對比來看，國內(nèi)SSD產(chǎn)品在產(chǎn)品設(shè)計、性能、規(guī)格、可靠性等方面與國外品牌相比均有同等競爭力。目前國內(nèi)外的主要SSD廠家?guī)缀醵寄茉谙嗤瑫r間發(fā)布相同技術(shù)平臺的SSD產(chǎn)品。但國內(nèi)廠商在存儲介質(zhì)NAND顆粒生產(chǎn)方面與國外領(lǐng)先廠商相比仍然存在較大的差距。

表2是某國內(nèi)企業(yè)SSD盤和兩家國際領(lǐng)先企業(yè)盤片的典型規(guī)格對比，可以看出國內(nèi)企業(yè)成品SSD產(chǎn)品與國際領(lǐng)先企業(yè)成品SSD產(chǎn)品在性能、可靠性上并駕齊驅(qū)，在某些指標上甚至表現(xiàn)更加優(yōu)異。

表2 國內(nèi)外主流企業(yè)閃存產(chǎn)品對比

2.3 閃存技術(shù)發(fā)展趨勢

從存儲技術(shù)本身的角度來看，存儲技術(shù)的演進有兩條主路線：一個是存儲介質(zhì)的技術(shù)演進，另外一條路線是傳輸協(xié)議的演進。存儲介質(zhì)的演進可以大幅度的提高存儲設(shè)備的性能，而存儲協(xié)議的進步可以輔助新型存儲設(shè)備達到其最佳性能。SSD硬盤從這兩條路線來看分別有如下發(fā)展趨勢：

（一）從SSD存儲介質(zhì)來看，現(xiàn)在業(yè)界關(guān)注的重點在于增加其存儲密度，NAND存儲介質(zhì)將往更多層3D NAND發(fā)展，以降低每GB的成本。目前主流企業(yè)級SSD都采用3D NAND介質(zhì)，并以64層為主流，同時96層也已經(jīng)出現(xiàn)商用產(chǎn)品。業(yè)界預(yù)計到2021年3D NAND閃存顆?？梢园l(fā)展到140層以上，是目前主流64層的兩倍還多。

圖1 2018年11月-2019年4月512Gb TLC閃存顆粒價格走勢（來源：中國閃存市場）

表3給出了3D NAND顆粒演進路徑。除了NAND存儲介質(zhì)向更多層方向發(fā)展之外，可能在未來的5年內(nèi)3D NAND也將達到工藝瓶頸，屆時將會有替代NAND Flash的主存介質(zhì)出現(xiàn)，其中有學(xué)者認為PCM（Phase Change Memory）相變存儲或?qū)⒊蔀橄乱淮髁鞔鎯夹g(shù)。

（二）從SSD協(xié)議和接口方向看，NVMe PCIe SSD會是SSD后續(xù)發(fā)展的重點方向。這意味著PCIe SSD在數(shù)據(jù)中心中逐漸取代SATA/SAS SSD成為SSD的主流接口；NVMe協(xié)議則有望取代AHCI協(xié)議逐步成為SSD主流協(xié)議。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）數(shù)據(jù)，PCIe SSD年復(fù)合增長率CAGR高達69%，SATA SSD則呈逐年下降趨勢（年復(fù)合增長率為-16%），在2019年底企業(yè)級PCIe SSD出貨量超過SATA SSD。

表3 3D NAND顆粒演進路徑（來源：應(yīng)用材料公司）

另外，從價格的角度來看，隨著技術(shù)的發(fā)展和供求關(guān)系的變化，特別是3D NAND閃存顆粒量產(chǎn)，NAND 閃存顆粒每GB 成本呈下降趨勢，且企業(yè)級NAND SSD成品價格也快速向消費級NAND SSD 價格靠攏。未來幾年，預(yù)計企業(yè)級SSD產(chǎn)品整體價格呈下降趨勢。即便是在每GB成本相對較高的全閃存市場，價格也在逐年降低，閃存容量也越來越大。圖1顯示了2018年11月至2019年4月半年來512Gb TLC閃存顆粒價格走勢情況，可以看出閃存顆粒價格下跌較快，季度跌幅達兩位數(shù)規(guī)模。此后2019年下半年至2020年11月，512GB TLC閃存顆粒價格略有回升并基本保持平穩(wěn)，在4-4.4美元之間窄幅震蕩。

三、閃存技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

由于固態(tài)硬盤SSD的性能優(yōu)勢突出且成本持續(xù)降低，企業(yè)級SSD已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用中，且在企業(yè)硬盤中的占有率正變得越來越大。而在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，SSD特別適合應(yīng)用在如下應(yīng)用場景：

（一）大數(shù)據(jù)分析——云計算和大數(shù)據(jù)帶來數(shù)據(jù)的海量存儲和處理需求，SSD特別適合用于海量數(shù)據(jù)和超大規(guī)模負載的存儲與處理，可以為其提供卓越的存儲容量和數(shù)據(jù)訪問性能。

（二）高并發(fā)應(yīng)用——互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)很多應(yīng)用如電子商務(wù)、社交等具有高并發(fā)性特征，需要極快的讀取能力以提供愉悅的用戶體驗，而SSD的優(yōu)勢正在于此。

（三）媒體流——捕獲和傳送電影、音樂和視頻監(jiān)控等富媒體內(nèi)容需要很高的數(shù)據(jù)訪問和傳輸速率，隨后還需要進行快速分析并提供即時查看，也非常適合采用SSD。

因此，在數(shù)據(jù)中心從傳統(tǒng)IT架構(gòu)演進到公有云和私有云的過程中，SSD得到了大面積使用。目前除了對性能與時延不敏感的較冷數(shù)據(jù)的存儲外，SSD已經(jīng)在逐步替代傳統(tǒng)HDD應(yīng)用于絕大部分數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景，未來有望取代HDD全面引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心硬盤市場?？梢灶A(yù)見，SSD并不是數(shù)據(jù)中心存儲技術(shù)的終點，而只能作為一種中間解決方案。PCM存儲、DRAM存儲等新型存儲技術(shù)延遲更低、存儲性能更強、壽命更長，或?qū)⒊蔀橄乱淮鷶?shù)據(jù)中心的主流存儲技術(shù)。

四、結(jié)束語

總體來看，5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬/增強現(xiàn)實等新一代信息技術(shù)和業(yè)務(wù)形態(tài)，帶來數(shù)據(jù)爆炸式增長和高并發(fā)、低時延的數(shù)據(jù)訪問處理需求，對數(shù)據(jù)中心存儲設(shè)備讀寫性能、可靠性、可維護性等諸多方面提出更高的要求，傳統(tǒng)HDD存儲技術(shù)已經(jīng)無法滿足新技術(shù)新業(yè)務(wù)的發(fā)展需要，促使SSD技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中得到大規(guī)模應(yīng)用。同時，隨著3D閃存顆粒技術(shù)向更高的層數(shù)邁進，SSD的容量大幅增加且成本不斷下調(diào)，未來數(shù)年內(nèi)SSD技術(shù)將會是數(shù)據(jù)中心存儲設(shè)備和技術(shù)的主流形態(tài)直至新的主存介質(zhì)及技術(shù)出現(xiàn)?！?/p>