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互联网技术详解 | SSD技术原理和演进

【发布时间:2021-01-15】

现在互联网应用中云计算、大数据、AI等互联网业务大行其道,给各个客户业务带来各种各样的好处。在业务飞速发展的状态下,对于数据IO读写的性能要求也在飞速提高。传统的HDD(机械硬盘)只能解决低成本高存储空间的问题,性能上已经开始越来越多的依靠SSD(固态硬盘)为主力去进行加速。那么SSD与HDD区别在哪呢?

工作原理导致性能和寿命差距

让我们看看下图:

我们看到左边的机械硬盘,主要是盘片,电机,磁头等机械结构组成。所有盘片固定在主轴上,盘片之间保持平行。磁头可以沿半径方向移动,盘片可以随主轴高速旋转。通过这种形式我们发现,机械硬盘的性能瓶颈主要在于机械结构上的限制。盘片的转速和机械臂切换磁道的时间再快也是机械运动,因此产生的读写延迟会高于电子盘。

那么针对右边图片的固态硬盘来说,都是通过控制器对闪存芯片直接进行基于电子结构的IO读写操作,不会受限于机械运动,性能瓶颈(暂时排除对外接口的瓶颈探讨盘体本身)主要来源于NAND芯片本身的工艺和其读写擦命令优化的延迟。所以在性能上有着天然的优势。但是NAND闪存天然存在着擦写次数的明确限制,导致在寿命管理,以及如果在大量写的应用上使用SSD的话,就要专门考虑SSD的寿命参数,不能盲目只看容量价格比。在这种类型情况下,SSD的性价比就明显低于机械硬盘了。

综上所述,就性能而言,SSD占据优势,SSD的小容量读密集型产品的性价比也足以和机械硬盘竞争。但是从写密集型应用以及大容量点上看,还是机械硬盘在实际应用及成本控制上更加合适。

SSD当前主流分类——PCIE和SATA

当今的主流作为存储使用的SSD,主要在SATA和PCIE两种形式的分类。

简单的说SSD本身在普及道路上,其中一个目的是希望能够替代机械硬盘的功能的。所以先去实现和普及的形态就是同传统机械硬盘管理方式相同的SATA SSD。SATA SSD通俗的讲就是通过SATA协议,走SATA接口可以做成2.5寸盘体的形态应用在服务器的标准硬盘的SAS/SATA硬盘背板上。但是相应的SATA本身就成为了电子盘的一个性能瓶颈,NAND芯片能提供的性能远远超过SATA接口可以传输的能力。所以在NAND芯片成本和SSD本身设计时,就会选择成本低性价比高的设计方案。所以SATA SSD在市场上的整体价格都会低于PCIE SSD。

PCIE SSD的产生也就是为了解决SATA接口的性能瓶颈,不在通过阵列卡或HBA直通卡进行硬盘管理。而是通过NVMe协议直接连接到PCIE总线上。消除了SATA接口及阵列卡本身的瓶颈。并且形态在企业级服务器上也可以有更多的应用方式。比如AIC插卡的方式,或者做成2.5寸形态通过U.2接口的方式。但是随之而来的,性能的提升,自然也伴随着成本的上升。NAND芯片的成本和对SSD厂商的设计考验也大大增加。对于这种高性能SSD,性价比肯定是远远高于机械硬盘和SATA SSD;但是作为读写加速,PCIE SSD的效果也是远远高于SATA SSD的。

所以在实际应用情况上来说,SATA SSD是可以一定程度上在低容量点直接替代机械硬盘成为性能更好但不会提升太多成本的优选方案。但是对于高容量点上,SSD的成本增加的是要比机械硬盘高多了,而且尤其同时频繁擦写的应用类型,且应用上性能要求也没有那么高的情况下,也还是机械硬盘要明显合适一些。所以在很多大数据场景下,大家还是都会选择多块大容量SATA机械硬盘来作为更好的选择。而在一些频繁读取虚拟化文件,对IO要求高的场景,可以直接使用多块SATA SSD来替代机械硬盘来取得更高性能。对于PCIE SSD,虽然性能卓越,但他的成本之高加上他的实现方式也是直联PCIE而不是通过阵列卡来进行数据保护的设计来看。它更适合的还是作为读写缓存加速的作用。比如作为数据库的热点数据加速等。

SSD 结构及NAND简介

上面介绍了SSD的分类,那么咱们进一步可以说说SSD内部是如何工作的,以及对于最关键NAND芯片进行一个介绍。

SSD工作流程

首先咱们看看SSD内部是怎么组成的。如上图就是SSD内部的一个组成工作原理。咱们从右到左从底层向外看。

首先是NAND芯片,作为SSD最重要的核心组成部分,NAND芯片的工艺和质量最直接的影响整个SSD的寿命和性能。NAND芯片的作用就类似对于咱们整个服务器而言里面的硬盘,作为存储介质的存在。读写都最终落在这里。

NAND芯片和SSD的控制器相连,这个控制器相当于我们服务器的阵列卡,CPU,内存等计算和管理单元,里面有对于数据调度的硬件计算部件,这里面也包含着SSD固件,固件里面编辑这个块盘厂商设计的算法调度,寿命管理等技术代码程序。

控制器和NAND芯片之间的通信协议分为ONFL和TOGGLE两种,前者是intel和美光指定的标准,后面是东芝三星指定的标准。两种协议之下功能定义对于NAND颗粒封装是pin to pin兼容的,这样也保证了SSD厂商设计时的通用性。目前使用ONFI接口协议的NAND厂商主要是英特尔、镁光、长江存储,使用TOGGLE接口协议的NAND厂商主要是东芝、三星、海力士为代表。

控制器再对外连接的host也就是通过IO连接器连到硬盘背板连到服务器了。这个之间就是通过咱们更常听说的SATA或PCIE的形式了,目前常见的物理接口包括SATA SAS的,还有跑在NVMe协议的U.2和AIC的形式了。

综上的介绍,SSD内部的工作流程基本就是按照这个分工来完成的,而这其中最重要的部分就是NAND闪存芯片。

NAND闪存芯片介绍及技术演进

当今NAND闪存芯片主流厂商玩家很多,包括SAMSUNG 三星,TOSHIBA 东芝,MICRON 镁光,INTEL 英特尔,HYNIX 海力士,YMTC 长江存储。

各家设计NAND闪存芯片的目前都遵循着前面说到的两个接口协议ONFI和TOGGLE,前面也说到这两个协议的封装都是pin to pin,所以当前NAND厂商的技术演进路线也都是趋同的。下面从NAND本身的介绍和各家技术演进上,我们分别看下:

NAND Flash的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同,如下图可以分为:

1.SLC(Single-Level Cell):即1 bit per cell,只存在0和1两个充电值,结构简单但是执行效率高。SLC闪存的优点是传输速度更快,功率消耗更低和存储单元的寿命更长。然而,由于每个存储单元包含的信息较少,成本高,约10万次擦写寿命。

2.MLC(Multi-Level Cell):即2 bit per cell,有00,01,10,11四个充电值,因此需要比SLC更多的访问时间,每个Cell存放比SLC多一倍的数据,但与SLC相比其传输速度较慢,功率消耗较高和存储单元的寿命较低,一万次以内擦写寿命

3.TLC(Triple-Level Cell):即3 bit per cell,每个单元可以存放比MLC多1/2的数据,共八个充电值,所需访问时间更长,因此传输速度更慢,TLC优势价格便宜

4.QLC(Quad-Level Cell):即4 bit per cell,每个单元可以存放4个数据,一共16个充电值,成本更低,容量更大,但是擦除的次数在几百次左右。英特尔公司预计将在2020年推出196层的QLC NAND Flash,紫光集团的长江存储也已经推出了128层的QLC NAND Flash。

以上的分类中,我们看出来从SLC到QLC的变化,主要是牺牲了稳定性,寿命和传输效率来换取更高的存储空间和更低的成本。为什么颗粒技术要做这种看似倒退的技术方式去演进呢?最主要的还是SLC的成本实在让使用者难以接受。颗粒厂商和SSD厂商们为了将性价比向机械硬盘靠拢以便取而代之其地位,不得已去牺牲颗粒本身的稳定性和寿命来降低成本,再通过SSD或NAND闪存中其他部分的技术来进行弥补。那么在这个发展过程中,就需要不断的进行工艺改进。于是发展出了2D到3D的工艺转变。

2D工艺本身遵循着摩尔定律的发展(60nm-40nm-20nm-15nm),近年已达瓶颈。而且在这种工艺下,并没有本质的改善从SLC向TLC,QLC做出的牺牲。所以在2D工艺的时代,企业级市场最多接受应用到了MLC的级别。成本也还是和相同容量点的机械硬盘有很大差距。但是在MLC时代,价格已经不是高的离谱只能富豪俱乐部专属了。所以MLC时代对于SSD在企业级市场的普及还是打下了坚实的基础。很多看中IO性能的应用已经接受了MLC SSD。

3D技术的产生,给转向TLC和QLC做出的牺牲极大弥补。原本的2D技术颗粒只是向一个棋盘一样平面排布,然而3D技术却将这个平面堆叠起来,做成了多层架构,将NAND芯片的带宽和寿命大大增加,甚至不需要使用最先进的2D工艺,只需要在40nm水平下即可达到原本2D工艺下无法企及的高度。

3D技术分类:Floating Gate 和 Charge Trap

这两种技术也基本是由制定协议的那两个不同的联盟分别走的路线。采用Floating Gate 技术厂商:英特尔、镁光;采用Charge Trap 技术厂商:东芝、三星、海力士、长江存储。

这两个3D NAND技术各有优缺点:

简单的说Floating Gate在成品上相比Charge Trap各方面有很多优势,但是在开发难度上会更加复杂。

综上从堆叠技术的发展来看,从32层持续发展64层,96层,到目前紫光集团长江存储发布了128层的QLC走向了世界领先。我们国产颗粒厂商的水平也确实在和国际大厂拉近。目前在颗粒发展的进程上,3D技术已经开始从TLC转向QLC,进一步提高性价比,相应的128层和196层 QLC SSD产品也会在今年明年陆续投放到市场中。当前64层和96层TLC还是企业级市场的主流,但是相信随着QLC的成熟,带动SSD进一步的成本优化,会对机械硬盘的占有率进一步发起冲击。对于各个颗粒厂商来说比QLC更新的PLC也在进一步研发计划中。未来不论是企业级市场还是消费级市场,相信SSD会被越来越多的消费者作为主流存储介质。

新华三集团对于SSD产品的引入和创新,得益于服务器市场的占有率的优势以及和长江存储,紫光得瑞同属紫光集团的优势。既能对国际大厂的产品进行充分全面的引入和测试,同时也为SSD国产化推进提供一臂之力。

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