高性能SSD硬盤之間的比較

人們需要了解企業(yè)級(jí)硬盤的最新發(fā)展趨勢(shì)、高性能存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用方式，以及底層NAND閃存技術(shù)進(jìn)步的影響。

固態(tài)硬盤（SSD）如今已大部分取代了用于企業(yè)應(yīng)用程序工作負(fù)載的機(jī)械硬盤（HDD），并且對(duì)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)而言，已成為越來越可行的選擇。盡管市場(chǎng)銷售的機(jī)械硬盤（HDD）總量仍然超過固態(tài)硬盤（SSD），但固態(tài)硬盤（SSD）的銷售量在未來一兩年內(nèi)可能超過機(jī)械硬盤。

與機(jī)械硬盤（HDD）相比，固態(tài)硬盤（SSD）在吞吐量和延遲方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。但是，只要它們與機(jī)械硬盤（HDD）尺寸和接口保持兼容，尤其是2.5英寸小型（SFF）驅(qū)動(dòng)器機(jī)箱和SATA I/O格式，它們就無法充分發(fā)揮其NAND閃存內(nèi)部組件的潛力。但是，這種情況正在發(fā)生變化，因?yàn)橹苯舆B接到PCI系統(tǒng)總線的基于NVMe的高性能SSD硬盤在企業(yè)中變得越來越普遍。

而人們需要了解有關(guān)企業(yè)驅(qū)動(dòng)器的趨勢(shì)、NVMe設(shè)備崛起的原因、底層NAND閃存技術(shù)的進(jìn)步，以及一些用例的信息。

SATA輸出，NVMe輸入

Statista公司估計(jì)，2021年固態(tài)硬盤（SSD）的出貨量將首次超過機(jī)械硬盤（HDD）。根據(jù)Research and Markets公司的調(diào)查，到2024年，企業(yè)閃存市場(chǎng)將以每年17%的速度增長，年收入約為250億美元。而AWS、谷歌、微軟、阿里巴巴等超大規(guī)模云計(jì)算提供商運(yùn)行和托管的云計(jì)算設(shè)施將取代許多企業(yè)數(shù)據(jù)中心。

在以往，閃存與企業(yè)市場(chǎng)采用的硬盤競(jìng)爭(zhēng)的最簡(jiǎn)單方法是采用現(xiàn)有的機(jī)械硬盤（HDD）物理接口標(biāo)準(zhǔn)。直到幾年前，使用SAS和SATA接口的固態(tài)硬盤（SSD）在市場(chǎng)上仍占主導(dǎo)地位。然而，在2017年底，NVMe高性能固態(tài)硬盤（SSD）的使用量激增，超過了2018年年中SATA企業(yè)級(jí)機(jī)械硬盤（HDD）的總?cè)萘俊?/p>

與SATA硬盤相比，用戶更喜歡NVMe高性能固態(tài)硬盤（SSD）有幾個(gè)原因。其中包括：

?NVMe協(xié)議設(shè)計(jì)用于NAND閃存等非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和Intel Optane等3D XPoint等下一代非易失性技術(shù)，以及Everspin和Avalanche Technology公司提供的電阻和磁阻存儲(chǔ)器。它顯著地簡(jiǎn)化了I/O協(xié)議，并消除了HDD硬盤協(xié)議的其他限制。

?NVMe支持多達(dá)64K個(gè)隊(duì)列，最多64K個(gè)條目，而SAS支持254個(gè)條目，SATA支持32個(gè)條目。NVMe還針對(duì)多個(gè)核心處理器非統(tǒng)一內(nèi)存訪問處理器進(jìn)行了優(yōu)化，以允許多個(gè)核心處理器共享隊(duì)列的所有權(quán)。該協(xié)議不需要I/O鎖定，并具有其他功能，允許其性能隨系統(tǒng)中可用的核心處理器數(shù)量的變化而變化。

多個(gè)核心處理器非統(tǒng)一內(nèi)存訪問處理器進(jìn)行了優(yōu)化，以允許多個(gè)核共享隊(duì)列所有權(quán)。該協(xié)議也不需要I/O鎖定，并具有其他功能，可以根據(jù)系統(tǒng)中可用內(nèi)核的數(shù)量來擴(kuò)展性能。

?NVMe命令集比SAS或SATA更簡(jiǎn)單、更精簡(jiǎn)，開銷更小，作為機(jī)械硬盤（HDD）協(xié)議，每個(gè)I/O請(qǐng)求需要一半或更少的處理器指令。這種效率意味著更高的IOPS吞吐量和更低的延遲。其指令集還包括一些高級(jí)功能，如保留和電源管理，這些功能可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。

?NVMe有效支持I/O虛擬化技術(shù)，如單根I/O虛擬化，并提供廣泛的錯(cuò)誤報(bào)告和管理功能。

IDC公司研究副總裁Eric Burgener表示，到2020年，NVMe將成為企業(yè)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，越來越多的工作負(fù)載將需要NVMe來實(shí)現(xiàn)低延遲、高吞吐量、存儲(chǔ)密度和快速存儲(chǔ)陣列重建時(shí)間。

更密集、更快的閃存

像內(nèi)存（DRAM）一樣，閃存通過檢測(cè)存儲(chǔ)單元中是否存在電荷來工作。閃存使用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與內(nèi)存不同，一旦存儲(chǔ)芯片斷電，該結(jié)構(gòu)并不會(huì)丟失電荷。

早期的閃存設(shè)計(jì)使用了由絕緣二氧化硅包圍的導(dǎo)電多晶硅浮柵，從而在通過名為Fowler-Nordheim隧道的數(shù)據(jù)寫入過程中捕獲電子。這些平面結(jié)構(gòu)多年來一直為各行業(yè)服務(wù)，但是它們的二維結(jié)構(gòu)限制了存儲(chǔ)單元陣列的密度。

構(gòu)建更高容量的閃存設(shè)備的解決方案需要進(jìn)入硅基板以蝕刻3D結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以分層以在每個(gè)支柱上創(chuàng)建多個(gè)存儲(chǔ)單元。這些設(shè)計(jì)與電荷存儲(chǔ)和絕緣材料的變化相結(jié)合，從而可以使用電荷陷阱非易失性存儲(chǔ)機(jī)制。

除了在3D堆棧中將存儲(chǔ)單元進(jìn)行分層之外，現(xiàn)在的設(shè)備還可以讀取每個(gè)存儲(chǔ)單元多個(gè)電壓荷電平，從而使它們可以存儲(chǔ)多個(gè)位并增加容量。在單層單元（SLC）NAND設(shè)備中，多晶硅浮柵充電的單元代表0，沒有電荷的單元代表1。

相比之下，多層單元（MLC）器件可以向存儲(chǔ)門施加三種不同的電荷水平，以表示四種狀態(tài)或兩個(gè)位。隨著時(shí)間的推移，制程容差和寫入電路已變得足夠精確，可以代表七個(gè)或更多狀態(tài)，并啟用了三層單元（TLC）和四層單元（QLC）器件，每個(gè)器件可存儲(chǔ)16個(gè)電壓電平。

增加每個(gè)單元的位密度的缺點(diǎn)是速度和耐力。由于編程周期需要多個(gè)步驟，因此編程和讀取多層單元（MLC）、三層單元（TLC）和四層單元（QLC）設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間會(huì)越來越長。而位狀態(tài)之間較小的電壓公差意味著，在存儲(chǔ)單元無法區(qū)分位電平之前，所需的電荷泄漏較少，因此不可用。例如，大多數(shù)單層單元（SLC）設(shè)備的壽命大約為100，000個(gè)編程/擦除周期，而四層單元（QLC）設(shè)備可能只允許100個(gè)。

使用場(chǎng)景

位密度與性能和持久性之間的權(quán)衡意味著單層單元（SLC）設(shè)備是寫密集型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)模型培訓(xùn)或系統(tǒng)引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器的首選或直接需求。相反，三層單元（TLC）或四層單元（QLC）設(shè)備可用于以讀為主的應(yīng)用程序，如文件共享和存檔。SSD硬盤耐久性通常在每天的寫入填充中指定，以表明在其使用壽命內(nèi)每天可以寫入設(shè)備上每個(gè)單元多少次。

NVMe的崛起意味著企業(yè)高性能SSD硬盤現(xiàn)在能夠以多種形式使用。使用U.2和U.3標(biāo)準(zhǔn)的NVMe設(shè)備具有與傳統(tǒng)HDD硬盤相同的2.5英寸規(guī)格，但使用支持PCIe接口的備用引腳輸出。諸如M.2、PCIe卡和英特爾的EDSFF硬盤的替代產(chǎn)品也采用與閃存一樣的尺寸，可以在緊湊的封裝中提供更高容量。

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