英特尔 QLC 3D NAND 数据存储

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英特尔 QLC 3D NAND 数据存储

NAND是什么

由于SSD固态硬盘的普及，NAND这个词逐渐进入用户们的视线。许多厂商都在产品宣传中提到3D NAND颗粒等词汇，对于普通用户来讲，完全不知道这个词是什么意思，只是有一种不明觉厉的感觉，今天我们就来了解一下什么是NAND。

要了解NAND，首先得了解一下存储颗粒的分类。最简单的分类，就是易失性存储和非易失性存储，字面意思非常直观，前者是断电后其中数据会丢失，后者是断电后仍可稳定保留数据。所以根据这样的特性，易失性存储通常用来制造内存条产品，非易失性存储通常用来制造硬盘等产品。而NAND Flash就是在这样的基础上发展出来的。

首先闪存产品的出现，对于存储行业是一种突破性的改革，将存储产品的体积大幅缩小，能耗降低，性能提高，而且对比于过去的碟片类的存储产品，运行更稳定，损坏率更低，可以说除了理想状态下的使用寿命有所不如，价格方面偏贵之外，其他方面都是后来居上的状态。

通过整合创新技术，英特尔® QLC 3D NAND 固态盘有助于降低成本，同时可提供 读取密集型工作负载所需的可靠性和低延迟性能。

英特尔 QLC 3D NAND 固态盘带来卓 越耐用性 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘依 赖对于可靠技术的多代改进，以 提供适当的耐用性。例如，作为 首代面向数据中心的英特尔 QLC NAND 产品，英特尔固态盘 D5- P4320 相比其它的 QLC NAND 固态盘，可提供高出多达 4 倍的耐用性。全新英特尔固态盘 D5- P5316 进一步增强了耐用性，相 比上一代英特尔 QLC NAND 固态 盘，将随机写入耐用性最高提升 了 5 倍。

QLC NAND 架构 四层单元（QLC）NAND 技术将密度增加到每单元 4 比特，相比 TLC NAND 可提供 多 33% 的每单元比特，因而能够将数据容量扩展到大于单层单元（SLC）、多层单元 （MLC）和 TLC NAND 技术的水平。随着密度增加，每 GB 成本会下降（见图 1）。

NAND 固态盘的密度不断增加

 图 1. PCIe 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘为每单元 4 比特，相比 TLC 固态盘可提供多 33% 的每单元比特，同时提供相当的顺序读 取性能。

固态盘和机械硬盘耐用性比较 机械硬盘耐用性主要受限于物理设计因素，例如硬盘里的大量 移动部件。部件逐渐磨损导致的故障会降低机械硬盘的性能或 使其无法使用。例如，振动或冲击会导致磁头未对准。由于耐 用性主要是一种物理限制，因此机械硬盘同样会受到读取和写 入的影响。 反之，固态盘没有移动部件，因此不存在机械磨损。对于固态 盘，耐用性会受到单元退化的影响，退化主要由写入而非读取 造成，可通过控制器固件中的各种缓解技术来减少退化。

NAND 固态盘的写入磨损程度部分取决于盘上已有数据的状态， 因为数据是按页写入、按块擦除的。顺序数据可高效写入较新固 态盘的连续可用页面。然而，当需要更新较小的数据块时（如修 改文档或数值），旧数据将读入内存、被修改、然后重新写入盘 上的新页面。包含已弃用数据的旧页面标记为无效。

当没有可用页面时，需要释放那些 “无效” 页面，以用于 “碎片整 理” 或 “磨损均衡” 的后台进程。特定块中的全部现有有效页面必 须先复制到盘上的其他可用位置，确保原始块仅包含无效的弃用 页面。然后可以删除原始块以腾出供新数据写入的空间。内部 NAND 管理进程（如磨损均衡）会导致写入放大，即固态盘上 的所有内部写入大于仅将新数据存入盘上所需的写入。由于每次 写入会造成单个 NAND 单元的细微退化，所以写入放大是磨损 的主要因素。

内置处理有助于 NAND 固态盘将磨损均匀分散到整个盘中。需 要指出的是，写入繁重的工作负载（尤其是随机写入）会导致 NAND 固态盘相比其他 IO 模式磨损更快，因为它们会导致更大 的写入放大。

QLC NAND 固态盘为现代工作负载提供卓越耐用性 对于大多数现代工作负载部署，QLC NAND 固态盘可提供富余 的耐用性，因为：

• 英特尔 QLC NAND 的实际耐用性超出了传统认知和理论限制。

• QLC NAND 固态盘具有更大的容量，能够将磨损分散到更大 的区域。

• 大多数固态盘在使用的全程，只会消耗一小部分额定的固态盘 寿命。

实际耐用性与预期耐用性 英特尔固态盘 D5-P5316 证明，QLC NAND 固态盘可以提供行 业领先的耐用性水平。此外，QLC NAND 固态盘的真实耐用性 在多个方面超出了预期。通过固态盘驱动控制器将写入均匀分布 到盘上，可以避免一些单元受到反复冲击。大容量 QLC NAND 固态盘提供了更大的 “表面积” 来分配写入，从而减少整体退化。 此外，对耐用性需求的认识与实际使用模式之间存在显著差距， 2020 年 2 月 USENIX 大会上公布的一项大规模研究对此进行了 重点说明8 。

该研究报告指出，实际应用下的耐用性要求通常远低 于企业的预期。作者表示：“基于我们的数据，我们预测并认为， 对于绝大多数企业用户来说，转向 QLC 在固态盘寿命上没有风 险，因为 99% 的系统最多使用了其硬盘 15% 的额定寿命。” 大容量 QLC NAND 的寿命耐用性等于更小容量的 TLC NAND 固态盘耐用性通常按照每日固态盘写入次数（DWPD）衡量， DWPD 可测量在保修寿命内磁盘每日可写入的数据量。写入 TB 数（TBW）或写入 PB 数（PBW）也可用于表示耐用性，该指 标可衡量在规定寿命内可写入磁盘的总数据量。磁盘的总耐用 性取决于其容量。例如，图 2 所示为一个 8TB TLC 固态盘（1DWPD，5 年保修寿命），理论上可在 5 年内每天处理 8TB 的 数据写入。但请注意，额定 DWPD 为 0.25 的 5 年保修期 32TB QLC NAND 固态盘不一定可达到理论性能，实际的总体耐用性 可能有所偏差。这是因为可写入该固态盘的数据总量与较小的 TLC 磁盘相同（32TB 容量乘以 0.25 DWPD）。

 图 2. DWPD 和容量确定写入总字节的示例。

此外，存储管理人员可以通过留出额外的硬盘空间（在上述理论 示例中为 20%）来进一步提高有效耐用性。通过增加硬盘上的 保留区域，将能够为有效的碎片整理和磨损均衡来留出更大的空 间，进而减少写入放大。 对于 NAND 固态盘耐用性，工作负载很重要 如上所述，NAND 固态盘的实际耐用性远高于机械硬盘，尽管存 在常见的误解，但它可以明显大于规定的 DWPD。

但是，面向 不同应用场景的固态盘耐用性也取决于客户的使用模式和工作负 载的性质。 如图 3 所示，机械硬盘往往具有一致但较低的耐用性，而 NAND 固态盘展现了不同的耐用性，具体取决于数据的模式和块大小。

例如，如果应用依赖于小数据块的频繁随机写入，它将比大块 数据的顺序读取更多地消耗 NAND 固态盘的寿命。这就是为什 么 QLC NAND 固态盘适用于读取繁重的工作负载，这类工作负 载也需要大容量以快速访问更多数据。 虽然针对读取性能进行了优化，QLC NAND 也适用于其他数据 使用模式。凭借支持大数据块的充足写入性能，QLC NAND 能 够支持某些细分市场的混合工作负载。 有关特定的工作负载放置示例，请参见本文的 “使用英特尔 QLC 3D NAND 固态盘支持现代工作负载” 部分。

QLC NAND 的质量和可靠性 由于 QLC NAND 技术很复杂，因此业内许多人认为必须在数据 可靠性、数据保持和硬盘整体可靠性等方面进行妥协。凭借三十 年的浮栅架构经验，英特尔打造了一款毫无妥协的解决方案。 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘满足联合电子设备工程委员会 （JEDEC）的所有要求，相当于广泛采用的 TLC NAND 固态盘。

机械硬盘和 QLC NAND NAND 固态盘的耐用性，以写入总字节表示（更高越好）

 图 3. QLC NAND 的实际耐用性，机械硬盘与英特尔固态盘 D5-P5316 相比，以写入 PB 数（PBW）表示。

表 1 显示了英特尔 QLC NAND 固态盘与 TLC NAND 固态盘的比较情况。两者具有相同的故障率、不可纠正的位错误率（UBER）、 操作振动和温度范围，以及同样的 5 年保修。 表 1. 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘和英特尔 TLC NAND 固态盘在质量、可靠性等方面的规格比较。

 将英特尔 QLC 3D NAND 固态盘与许多企业机械硬盘的质量和可靠性额定值进行比较时，差异更加明显。表 2 将英特尔固态盘 D5- P5316 与两个常用的企业机械硬盘进行了比较。其中显示英特尔 QLC 3D NAND 固态盘的 UBER 比机械硬盘高两个数量级。QLC NAND 固态盘在各种操作条件下表现出众，在振动、温度和磁性方面具有较高规格。

表 2. 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘和常用企业机械硬盘的质量和可靠性规格比较。

 除了表 2 中突出显示的优势外，NAND 固态盘相比机械硬盘还表现出较低的实际故障率。上文提到的 USENIX 研究发现，NAND 固 态盘的平均年度返盘率（ARR）介于 0.07% 和近 1.2% 之间，机械硬盘为 2-9%。通过比较这两个数据，我们可以发现 NAND 固态 盘的 ARR 相比机械硬盘低 7.5 到 28 倍8 。 在数据中心内使用英特尔 QLC 3D NAND 固态盘支持现代工作负载 借助经过读取优化的高容量英特尔 QLC 3D NAND 固态盘，您可以从更多的温数据中获得更多价值，同时降低可靠技术的总体拥有 成本（TCO）。 加速访问更多数据 QLC NAND 具有出色的顺序和随机读取性能，可帮助您高效处理海量温数据。这些特征使这种固态盘适用于现代企业应用，例如 AI 或数据分析。 这些用例依赖于快速读取性能和可预测的低延迟，以支持更快地访问数据，并通过扩展满足未来需求。

 图 4. 将工作负载与 QLC NAND 固态盘匹配时可使用的特征。 要确定 QLC NAND 固态盘是否与您的工作负载匹配，请查找以 下特征：

• 带宽：传输海量数据以支持计算的高读取带宽

• 服务质量（QoS）：低延迟和高服务质量，有助于优化计算利 用率并缩短获取结果的时间

• 使用模式：读取密集型（顺序或随机）工作负载，即使面临大 数据块写入压力也能够游刃有余

• 数据块大小：范围广（读取） 图 4 显示了哪些工作负载部分与 QLC NAND 固态盘相匹配（基 于使用模式）。

英特尔 QLC NAND 的性能 英特尔固态盘 D5-P5316 包括现代固件，能够为高容量存储 提供卓越的读取性能和高度的可扩展性。这款固态盘也是行业 首个采用 PCIe 4.0 控制器的 QLC NAND 固态盘。相比英特尔 QLC 3D NAND 固态盘提供的 PCIe 接口和高效 NVM express （NVMe）协议支持的多通道 I/O 功能，基于串行 ATA（SATA） 的 QLC NAND 固态盘将在吞吐量上受到更大的限制。

因此， 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘更适合现代工作负载的大规模吞 吐量要求。 旨在提升读取性能的架构和功能改进也有利于最新一代的英特 尔 QLC 3D NAND 固态盘。与上一代相比，英特尔固态盘 D5- P5316 实现高达 38% 的随机读取性能提升及高达 2 倍的顺序 读取性能提升。13,14 该固态盘还包括智能固件，相比上一代产品 可在 99.999% 服务质量的情况下将延迟性能提升 48%。

与机械硬盘相比，QLC NAND 的性能优势更加明显。尽管具有 明显的成本/容量优势，但机械硬盘束缚了所存储数据的价值， 因为它们运行较慢，无法支持需要快速访问温数据的工作负载。 如表 3 所示，与常用的企业机械硬盘相比，最新一代的英特尔 QLC 3D NAND 固态盘可将顺序读取性能提升高达 25 倍。

表 3. 英特尔 QLC 3D NAND 固态盘与两款常用机械硬盘的读取性能比较。

 在读写原理上，机械硬盘的盘片表面被磁性材料所覆盖，磁性粒子被磁头极化以此来表示一个二进制信息单元，而闪存产品并不是采用磁性材料来存储数据，而是使用基础单元cell来存储，这种技术可以很快很紧凑的存储数据。这也是NAND Flash闪存颗粒带来的革命，它使我们的电脑响应更迅速、文件读写速度飙升，大幅缩短等待时间，SSD由此成为必不可少的硬件产品。

 非易失性ROM除了NAND之外，就是NOR，不过NOR的应用并没有NAND这么广泛，原因在于NOR读取快，但写入和擦除慢，所以通常只用来存储一些配置设定类的参数等，NAND则被应用于数据存储。

 在经历了多年的发展后，NAND闪存不止有了SLC、MLC、TLC之分，为了进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺也在飞速的进步，从50nm一路到目前的16nm甚至更小，但是随着工艺的进步，NAND的氧化层也越薄，导致了可靠性下降，为了解决这一问题，许多厂商费劲脑汁，终于在觉得平面也就是2D NAND已经遇到了瓶颈之后，厂商将目光投向了3D空间，也就是将数层2D NAND叠加在一起，既保证了可靠性又增大了容量，由此3D NAND颗粒进入大家的视野。也正因为3D NAND的技术，使得部分采用相应技术的TLC产品达到了MLC的性能，就是我们常说的3D TLC。而最近美光等大厂的第四代颗粒3D QLC产品也已经投入了市场，让广大消费者体验到了更高的容量、更低的价格、更快的读写性能。

参考链接：

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/docs/storage/qlc-nand-ready-for-data-center-paper.html

https://www.crucial.cn/articles/about-ssd/what-is-a-nand-flash

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