閃存技術發展趨勢及在數據中心的應用

□ 文 孫翠鋒 王祎晨

一、傳統存儲技術發展面臨瓶頸

到PB級出貨容量的就有數百例，存儲集群容量已經達到EB級。從存儲設備的讀寫性能來看，某些核心應用已經要求存儲設備支持百萬級的IOPS（每秒讀寫次數）和TB級帶寬。

在新的發展需求下，傳統存儲技術HDD存在的局限性決定了它已經無法勝任，學術界與產業界開始將目光轉向存儲密度高、容量大、訪問速度快的新型存儲技術，而現階段應用最廣的當屬閃存存儲技術。進入2010年以來，閃存技術憑借快速讀寫的優勢逐漸擴大市場，年出貨量增幅穩定在30%左右并仍有上升之勢。

長期以來，機械硬盤（HDD）一直作為數據中心主要的存儲設備存在，在企業存儲市場獨占鰲頭。機械硬盤內部包括一至數片高速轉動的磁盤，其存取速度的快慢取決于盤片的旋轉速度，但是旋轉速度的提高會帶來發熱、磨損等諸多問題，在現有機械技術上想要大幅提高機械硬盤的轉速已經十分困難，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、物聯網、工業互聯網、5G等新一代信息技術迅猛發展，數據中心在短時間內要處理和存儲的數據體量從TB向PB、EB、ZB發展，對存儲設備的讀寫技術提出了更高要求。國際數據公司（IDC）公布的2019年上半年《中國企業級存儲系統市場調查數據報告》數據顯示，2019年上半年中國存儲市場出貨量66519套，其中單套存儲達

二、閃存存儲技術發展趨勢

2.1 閃存存儲技術概況

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、抗震等優良特性。固態硬盤（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。當下主流的閃存顆粒主要是NAND FLASH芯片類存儲介質，它具有高密度、成本低的優勢。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，相對應的SSD的容量就越大。可以從多個維度對SSD進行分類：

（一）從SSD的接口類型進行區分，目前市場上的企業級SSD主要包括SATA/SAS SSD、PCIe SSD等類型。在實際使用中，SATA SSD的數據交換速率在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的范圍內移動。

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

（三）從生產工藝區分，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展，過小的晶體管體積和過大的晶體管數量，會降低閃存的穩定性與可靠性，不利于閃存技術的長遠發展。因此，全球各大主流閃存廠商紛紛發力3D晶體管研發，為閃存顆粒技術帶來了重大突破，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。隨著技術的不斷進步，3D閃存堆疊高度從30-40層，逐步發展到目前主流的64層甚至更多，從而可以實現更高的存儲密度和容量。

表1 SSD硬盤分類

根據上述介紹，表1給出了SSD硬盤從不同角度的分類情況。

2.2 國內外閃存技術差距對比

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的產能。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。根據國際數據公司（IDC）發布的2019Q4《中國企業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。

從國內外廠商實力對比來看，國內SSD產品在產品設計、性能、規格、可靠性等方面與國外品牌相比均有同等競爭力。目前國內外的主要SSD廠家幾乎都能在相同時間發布相同技術平臺的SSD產品。但國內廠商在存儲介質NAND顆粒生產方面與國外領先廠商相比仍然存在較大的差距。

表2是某國內企業SSD盤和兩家國際領先企業盤片的典型規格對比，可以看出國內企業成品SSD產品與國際領先企業成品SSD產品在性能、可靠性上并駕齊驅，在某些指標上甚至表現更加優異。

表2 國內外主流企業閃存產品對比

2.3 閃存技術發展趨勢

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

（一）從SSD存儲介質來看，現在業界關注的重點在于增加其存儲密度，NAND存儲介質將往更多層3D NAND發展，以降低每GB的成本。目前主流企業級SSD都采用3D NAND介質，并以64層為主流，同時96層也已經出現商用產品。業界預計到2021年3D NAND閃存顆粒可以發展到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存儲介質向更多層方向發展之外，可能在未來的5年內3D NAND也將達到工藝瓶頸，屆時將會有替代NAND Flash的主存介質出現，其中有學者認為PCM（Phase Change Memory）相變存儲或將成為下一代主流存儲技術。

（二）從SSD協議和接口方向看，NVMe PCIe SSD會是SSD后續發展的重點方向。這意味著PCIe SSD在數據中心中逐漸取代SATA/SAS SSD成為SSD的主流接口；NVMe協議則有望取代AHCI協議逐步成為SSD主流協議。根據國際數據公司（IDC）數據，PCIe SSD年復合增長率CAGR高達69%，SATA SSD則呈逐年下降趨勢（年復合增長率為-16%），在2019年底企業級PCIe SSD出貨量超過SATA SSD。

表3 3D NAND顆粒演進路徑（來源：應用材料公司）

另外，從價格的角度來看，隨著技術的發展和供求關系的變化，特別是3D NAND閃存顆粒量產，NAND 閃存顆粒每GB 成本呈下降趨勢，且企業級NAND SSD成品價格也快速向消費級NAND SSD 價格靠攏。未來幾年，預計企業級SSD產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，季度跌幅達兩位數規模。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，在4-4.4美元之間窄幅震蕩。

三、閃存技術在數據中心中的應用

由于固態硬盤SSD的性能優勢突出且成本持續降低，企業級SSD已廣泛應用于各行各業的業務應用中，且在企業硬盤中的占有率正變得越來越大。而在數據中心領域，SSD特別適合應用在如下應用場景：

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

（二）高并發應用——互聯網行業很多應用如電子商務、社交等具有高并發性特征，需要極快的讀取能力以提供愉悅的用戶體驗，而SSD的優勢正在于此。

（三）媒體流——捕獲和傳送電影、音樂和視頻監控等富媒體內容需要很高的數據訪問和傳輸速率，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，在數據中心從傳統IT架構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據的存儲外，SSD已經在逐步替代傳統HDD應用于絕大部分數據中心應用場景，未來有望取代HDD全面引領數據中心硬盤市場。可以預見，SSD并不是數據中心存儲技術的終點，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延遲更低、存儲性能更強、壽命更長，或將成為下一代數據中心的主流存儲技術。

四、結束語

總體來看，5G、人工智能、工業互聯網、物聯網、虛擬/增強現實等新一代信息技術和業務形態，帶來數據爆炸式增長和高并發、低時延的數據訪問處理需求，對數據中心存儲設備讀寫性能、可靠性、可維護性等諸多方面提出更高的要求，傳統HDD存儲技術已經無法滿足新技術新業務的發展需要，促使SSD技術在數據中心中得到大規模應用。同時，隨著3D閃存顆粒技術向更高的層數邁進，SSD的容量大幅增加且成本不斷下調，未來數年內SSD技術將會是數據中心存儲設備和技術的主流形態直至新的主存介質及技術出現。■