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西部数据最新专利说了什么?揭露SSD未来发展方向

编辑:Mavis 发布:2019-12-16 14:58

随着科技的发展,人们对存储设备I/O性能要求越来越高,目前基于闪存阵列的固态硬盘(SSD)相较传统硬盘(HDD)拥有更快的读写速度,然而,在一些情景中,SSD内部的平行通道潜力不能被充分释放,导致存储性能出现瓶颈。

在西部数据最新发布的专利中(专利名称:QUALITY OF SERVICE AWARE STORAGE CLASS MEMORY / NAND FLASH HYBRID SOLID STATE DRIVE 专利号:US 10,430,329 B2)披露了一种将NAND闪存和其他例如存储级内存(SCM)存储介质结合在一起、集各家优势配置的混合SSD实现高带宽、低延迟的存储解决方案。


 中国闪存市场整理

“混合”并非全新概念,从混合硬盘到混合固态盘,性能更优,为存储加速

2007年三星推出全球首款混合驱动硬盘MH80,结合了HDD高容量、低成本和SSD高性能,希捷、西部数据和铠侠(原东芝存储器)也相继推出类似产品,以HDD作为存储主体,搭配NAND 闪存做缓存,且两部分有各自的主控芯片,将常用的数据存储在NAND闪存中,不常用的数据存储在HDD中,通过驱动程序来进行数据读写加速调配。

虽然混合硬盘已经在市场上不算新鲜,但是由于其更偏向于读取功能,对写入响应作用很小,而且SSD部分仅仅作为缓存使用,并没有改善HDD部分的读写驱动而没有得到广泛普及。

此外,随着近些年NAND闪存技术已经成功从2D切换到3D并实现96 层TLC产品大规模生产,QLC也加快普及速度,以及2018年下半年以来,存储市场低迷的市场行情,NAND闪存单位bit成本正在不断下降,因此通过SSD和HDD混合的方法恐怕已经无法满足市场需求。存储厂商需要不断研发更具跨越性意义的技术推动产品革新。

2015年英特尔率先成功研发出基于3D Xpoint的存储级内存(SCM),其理论速度可达NAND闪存的1000倍,并将其应用于傲腾系列产品。2019年推出融合傲腾内存、NAND闪存于一体的混合固态盘“傲腾H10”。将要求低延迟传输速率的数据存储在SCM中,将没有要求低延迟的数据存储在NAND闪存介质中。


图片来源:英特尔

除英特尔之外,三星也积极推动SCM普及,并推出Z-SSD,目前主要面向数据中心市场。SCM作为理论性能上能远远优于NAND闪存的非易失性存储技术,其价格也介于DRAM和NAND闪存之间,与NAND闪存搭配对性能要求更高的大容量SSD无疑是更优选项。

新型混合SSD解决方案中,主控重要性凸显

混合SSD存储解决方案中无法逾越的核心问题就是如何分辨哪些数据需要低延迟处理,哪些不需要,并如何“指挥”数据到正确的存储介质中去,这就需要SSD的“大脑”主控芯片可以流畅运行一系列命令程序。

在西部数据专利中披露的读写命令执行模型中是这样描述的,当主机收到写入命令时,首先需要分辨数据是否有低延迟传输需求,如果有则存储在SCM介质中,没有则存储在NAND闪存中。


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从主机中接收读取命令后,执行命令,为了后续功能得以保证,需要执行一个“质疑程序”,确认下一个访问命令是否有低延迟需求,如果没有则命令终止,如果有,需要确认SCM中是否还有剩余空间,如果还有剩余空间,则将数据从NAND闪存中调取到SCM中,如果没有,需要执行替代算法将备份数据驱逐到NAND闪存中。


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在上述“写入/读取”命令中运用的一系列算法程序均要在主控芯片中完成。事实上,NAND闪存进入到3D堆叠和TLC/QLC时代后,主控芯片的作用已经愈加重要。例如,QLC时代,随着每个cell的bit数量越来越多,出错概率也越来越大,通过主控芯片中高效的纠错方案也可延长NAND闪存的使用寿命,可谓意义重大。 

从数据中心异构存储到混合SSD,集各存储介质之长,满足用户需求

在数据中心市场,异构存储已经基本成为各大原厂的共识,自英特尔通过傲腾系列产品率先布局,在DRAM与SSD之间新增三级,包括傲腾DC持久内存、傲腾固态盘(3D XPoint)和QLC 3D NAND固态盘,每一层的速度差仅为10倍,使存储结构更加流畅。

三星、铠侠(原东芝存储器TMC)也相继发布了应用于数据中心市场的Z-NAND和XL-FLASH,其产品也是定位存储级内存(SCM),用来解决内存和闪存之间的性能鸿沟。美光也积极推广QLC技术在读取密集型应用的优势,减少DRAM和SSD之间的性能差异。

西部数据和SK海力士更推荐去集群化的分区存储,通过软件设计实现SMR-HDD、ZNS-SSD等不同存储介质在同一架构中运作。

目前SSD系统中,仍然以NAND闪存为单一主要存储介质,在NAND闪存中加入性能更高的SCM存储介质,既可以提升SSD整体性能,又能中和SCM高昂成本,在未来海量数据存储需求下,不失为一种经济高效的选择方案。

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