大容量與高性能SSD的興起
了解企業(yè)驅動器的最新趨勢、高性能設備如何發(fā)揮作用以及底層NAND閃存技術進步的影響。
對于企業(yè)應用程序工作負載,固態(tài)驅動器大多取代了磁性硬盤,并且越來越成為大容量數(shù)據(jù)存儲的可行選擇。雖然出貨的HDD總數(shù)繼續(xù)超過SDD,但出貨量的交叉將在未來一兩年內(nèi)發(fā)生。
與HDD相比,SDD在吞吐量和延遲方面具有巨大優(yōu)勢。然而,只要它們?nèi)匀慌cHDD外形和接口兼容,特別是2.5英寸小型(SFF)驅動器機箱和SATAI/O格式。然而,隨著直接連接到PCI系統(tǒng)總線的基于NVMe的高性能SSD在企業(yè)中變得更加普遍,這種情況正在發(fā)生變化。
繼續(xù)閱讀企業(yè)驅動器的趨勢、NVMe設備優(yōu)勢的原因、底層NAND閃存技術的進步和一些用例。
SATA輸出,NVMe輸入
Statista估計SSD的出貨量將在2021年首次超過HDD。根據(jù)ResearchandMarkets的數(shù)據(jù),到2024年,企業(yè)閃存存儲市場的收入將以每年17%的速度增長,達到約250億美元。銷售額由四大驅動超大規(guī)模云提供商——阿里巴巴、AWS、谷歌和微軟——以及協(xié)同定位設施正在取代許多企業(yè)數(shù)據(jù)中心。
物理學很少為您提供免費的東西,因此增加每個單元的位密度的缺點是速度和耐力。
過去,閃存存儲在企業(yè)市場上與硬盤競爭的最簡單方法是采用現(xiàn)有的HDD物理和接口標準。直到幾年前,使用SAS和SATA接口的固態(tài)硬盤才在市場上占據(jù)主導地位。然而,在2017年底,NVMe高性能SSD的使用量激增,并超過了2018年年中出貨的SATA企業(yè)驅動器的總容量。
與SATA驅動器相比,更喜歡NVMe高性能SSD有幾個原因。它們包括:
•NVMe協(xié)議專為非易失性半導體存儲器(如NAND閃存)和下一代非易失性技術(如IntelOptane等3DXPoint)以及電阻和磁阻存儲器(如Everspin和AvalancheTechnology提供的技術)而設計。它顯著簡化了I/O協(xié)議并消除了HDD協(xié)議的其他限制。
更密集、更快的閃存
與動態(tài)RAM(DRAM)一樣,閃存通過檢測存儲單元中是否存在電荷來工作。與DRAM不同,閃存使用一種存儲結構,一旦內(nèi)存芯片斷電,它就不會失去電荷。
早期的閃存設計使用由絕緣二氧化硅包圍的導電多晶硅浮柵,在數(shù)據(jù)寫入過程中通過稱為Fowler-Nordheim隧道效應的過程捕獲電子。這些平面結構多年來一直很好地服務于行業(yè),但它們的二維結構限制了存儲單元陣列的密度。
構建更高容量閃存設備的解決方案需要進入硅襯底蝕刻3D結構,這些結構可以分層以在每個柱子上創(chuàng)建多個單元。這些設計與電荷存儲和絕緣材料的變化相結合,從而能夠使用電荷陷阱非易失性存儲機制。
除了在3D堆棧中分層存儲單元,今天的設備可以讀取每個存儲單元的多個電壓電平,使它們能夠存儲多于一位并增加容量。在單級單元(SLC)NAND器件中,浮動晶體管柵極被充電的單元代表零,而沒有電荷的單元代表一。
相比之下,多級單元(MLC)器件可以將三個不同級別的電荷應用于存儲門,以表示四種狀態(tài)或兩位。隨著時間的推移,工藝容差和寫入電路已經(jīng)變得足夠準確,可以表示七個或更多狀態(tài),并啟用三級(TLC)和四級單元(QLC)設備,每個單元可以存儲16個電壓電平。
物理學很少為您提供免費的東西,因此增加每個單元的位密度的缺點是速度和耐力。由于編程周期需要多個步驟,因此編程和讀取MLC、TLC和QLC器件所需的時間越來越長。類似地,位狀態(tài)之間的較小電壓容差意味著在單元無法區(qū)分位電平并因此無法使用之前,它需要較少的電荷泄漏。例如,大多數(shù)SLC設備適用于大約100,000個編程/擦除周期,而QLC設備可能只能容忍100個。
使用場景
位密度與性能和耐用性之間的權衡意味著SLC設備是寫入密集型數(shù)據(jù)庫應用程序、數(shù)據(jù)分析、深度學習模型訓練或系統(tǒng)引導驅動器的首選或完全需要。相反,TLC或QLC設備適用于以讀取為主的應用程序,例如文件共享和存檔。SSD耐用性通常以每天寫入填充次數(shù)指定,以指示在驅動器的使用壽命內(nèi)每天可以寫入設備上每個單元的次數(shù)。
NVMe的優(yōu)勢意味著企業(yè)高性能SSD現(xiàn)在有多種外形規(guī)格。使用U.2和U.3標準的NVMe設備具有與傳統(tǒng)HDD相同的2.5英寸SFF尺寸,但使用支持PCIe接口的替代引腳。M.2、PCIe卡和英特爾的EDSFF(又名Ruler驅動器)等替代品利用閃存芯片的小尺寸在緊湊的封裝中提供高容量。