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    中國數據存儲服務平臺

    英特爾倪錦峰:推動NAND技術創新釋放存儲潛力

    人類社會正處在一個數字爆炸的時代,當下新冠疫情促進了遠程辦公、在線教育等需求的增長,進一步加速了全球數字化進程,預計到2025年全球數據量將增長到175個ZB,數據會像石油一樣成為未來社會寶貴資源和發展的源泉。

    過去二十年以至到未來的五到十年,數據的量和質都在發生根本的變化,從規模、形態到處理需求等等都在發生根本的變革:數據量正呈指數級爆發,數據形態日趨多樣化,數據實時處理需求也在不斷僧長,所有這些變革都驅動著存儲技術、存儲架構、存儲方案、存儲產品的不斷創新。

    英特爾NPSG亞太區銷售總監倪錦峰

    “英特爾作為行業領導者持續推動創新、釋放存儲潛力,以幫助行業伙伴們充分挖掘數據的價值?!?021年11月23日,英特爾NPSG亞太區銷售總監倪錦峰在“2021中國數據與存儲峰會”線上會議說。

    英特爾3D NAND固態盤源自悠久的閃存技術創新歷史,30多年來英特爾一直是閃存單元演進和擴展的領導者:1988年,英特爾推出了基于NOR flash的SSD原型,于1992年隨IBM PC出貨;英特爾首創的PCle規范,協同生態伙伴們不斷推進規范的演進;英特爾也主導了NVMe規范的建立,于2008年首次發布。

    從NOR flash到NAND flash,英特爾商業化了17代的閃存單元技術,利用這些經驗實現了諸多業界首創:第一家交付了64層TLC固態盤,第一家交付了QLC PCle固態盤并且首創CMOS under Array(CuA),第一個發布EDSFF/Ruler創新接口等。

    “我個人有幸參與其中一半多的進程,做了17年的flash,其中2013年SSD。這個是2008年推出的X25—E,基于50納米的SLC技術32GB,當初我們第一筆生意是北京某互聯網公司做數據庫加速,那時候是1000美元左右,差不多$30 /GB;這個是最新的 32TB 144L QLC固態盤D5—P5316系列,十多年來容量翻了差不多有1000倍,$/GB下降了數百倍。我們的愿景就是持續推動NAND技術的創新,發揮數據無限潛能來推動人類發展?!蹦咤\峰說。

    倪錦峰展示英特爾最新的 32TB 144L QLC固態盤D5—P5316系列,

    存儲技術創新三要素:密度、可靠性和性能

    如何實現這樣愿景?談到存儲技術創新,倪錦峰表示要從密度、可靠性和性能三個層面來看。

    存儲技術創新三要素:密度、可靠性和性能

    半導體行業對摩爾定律有著執著的追求,以持續滿足行業的容量密度和成本的苛求。

    3DNAND技術很好的續寫了NAND領域的摩爾定律。從2016年推出第一代32L 3DNAND,到2020年推出了144L 3DNAND,一共發展四代,結合CuA以及QLC等相關技術,使得存儲密度實現了5倍多的提升,數十年來Floating Gate經驗積累,幫助Intel 3DNAND擁有更好的單元可靠性和數據維持能力,從而實現更好的QLC性能和壽命,并為后續的PLC即5dpc打下堅實基礎。

    “此外,性能提升方面的創新也是至關重要的,隨著Die Size的增加,同樣容量的SSD所容納的NAND Die數目不斷減少,因而損失并行數據處理能力,因此我們有必要在NAND架構方面做文章,不斷提升其本身性能?!蹦咤\峰表示。

    從密度角度,英特爾144L 3DNAND已于去年規模量產,并基于此推出了一系列企業級SSD,包括D7—P5510系列TLCSSD以及D5—P5316QLCSSD,D3—S4520 SATA TLC SSD, 2018年,英特爾發布了第一款QLCSSD,到現在第二代QLCSSD最大容量達到32TB,其在CDN、大數據、溫存儲等Read intensive Workload方面取得很大的成功。此外,結合Optane等Fast Media能夠促進存儲架構的創新來加速TLC的替換。

    行業其實對摩爾定律有執著的追求,但是這單單靠3D層數的堆疊是不夠的,因為從32到64到96到128等等所取得的收益呈遞減的狀態,一來本身層數不可能每次都翻倍,二來層數增加其實對Fab工藝整體生產的Lead Time帶來很大的挑戰,因此有必要從另外一個維度來追求存儲密度的提升。

    QLC、PLC相對于TLC來說取得有益的密度提升和成本的下降。

    得益于Floating Gate優異的Data Retention能力,Intel QLC產品在企業級應用中取得了可喜的成績。Intel Floating Gate技術擁有更好的Read Window Budget,因而也更容易加速PLC的實現,英特爾在PLC研發方面已經較長的時間,也取得很好的進展。

    分享簡單兩個例子。

    上邊左圖是拿當前144LQLCNAND做了PLC仿真,經過了1K PE Cycle以及Data Petention Bake后的看一下Vt分布圖,結果顯示沒有做配置優化情況下依然能夠取得比較好的Margin和RawBER,也能較好滿足ECC目標。右圖是英特爾下一代3DNANDPLC的Vt分布,這個是Time Zero時候的Vt。

    倪錦峰表示:“我們還有很長路要走,會繼續開發優化并且最終產品化,這將進一步提升密度,降低成本,從而加快HDD的替換?!?/p>

    所有這些技術創新同時也非常注重技術實際的可用性。

    英特爾在芯片設計層面也持續創新同一芯片會支持所有這些模式,SLC、TLC、QLC、PLC、All in one,這當然包含很多復雜的設計工作,使得在成本沒有顯著增加的同時,性能不受影響的前提下面實現All in one的設計,大大提升了應用彈性,這將大大簡化開發人員的工作,供應鏈也會大大簡化,因為無需很早就決定到底需要Config成SLC Die還是QLC Die,從而精簡庫存。當然,在SSD層面也可以將DieConfig成不同模式,從而為變化的市場需求提供更多更好的產品選擇。

    可靠性方面,其中很重要一個概念是RWB(Read Window Budget),讀取窗口越大、準確性越高,性能也是越好,另一個概念是Leakage Current,它其實恢復導致讀取不準確性,當從SLC演進到TLC到QLC的時候,讀取窗口越來越小,對Leakage Current的敏感度也越來越高,讀取準確性也會有更大的挑戰。得益于Floating Gate優異的Data Retention能力,英特爾QLC產品在企業級應用中取得可喜一個成績。

    同樣,Floating Gete技術擁有更好的Read Window Budget因而也更容易加速,QLC相比于TLC來說,Endurance有所降低,英特爾 QLC在行業的諸多QLC技術中擁有更好的Endurance,但依然比Intel TLC的Cycling Capability更低一些,因此有很多朋友對QLC有較多一個顧慮。

    絕大部分SSD的DWPD其實都是小于小于1的,大部分實際使用壽命損耗又遠遠小于SSD額定Endurance Spec,Intel的QLC SSD結合了較高的Cycling能力和領先的容量,可以顯著增強全生命周期的整體寫入能力,滿足諸如CDN、大數據、本地盤等諸多應用市場壽命需求,可以想象一下從4T到32T接口不變情況下面,全盤寫入能力提升了很多。

    英特爾同時也和諸多的行業伙伴們開展平臺軟件方面一些架構創新,對Incoming Workload進行順序化這樣能極大提升QLC的適用度,因為QLC相比TLC其實在順序寫、隨機讀能力方面其實很接近的。

    來看一下存儲創新三要素中一個性能。

    英特爾在不斷創新NAND架構以提升其性能,改進SSD層面的性能可擴展性,因為對客戶來說,他們希望從1T到2T到4T到8T到16T容量翻倍的時候性能也能翻倍,聽起來是不可能完成,但英特爾并沒有放棄在軟件架構等方面的創新,也希望在NAND Die本身方面做更多的創新,除了ONFI接口等演進以外,也Enable了BBD和MPRO等相關的一些技術。

    3DNAND層數增加會導致Block Size不斷增大,從而影響到SSD層面的Flexibility以及性能,Intel 144L 3DNAND擁有3個Deck,每個Deck有48層,中間由Dummy層隔開,Block by Deck技術有效地縮小了Active Block Size,每個Deck可以單獨進行擦除,同時可以保持其它Deck的數據完整性。此外,Deck也可以按照需求Configure成SLC、QLC等不同的模式來進行分配,大大提升Flexibility,從而帶來更好的SSD級別的優勢。

    另外一個NAND Die方面的創新是IMPRO,即多個Plane Group可以相互獨立地接收和執行的讀取命令,使得讀取性能特別是隨機讀取性能翻倍。

    幫助行業客戶充分挖掘數據價值

    英特爾擁有數十年的內存經驗積累,并在密度、可靠性和性能等方面持續推動創新,釋放存儲潛力,以幫助行業伙伴們充分挖掘數據價值。

    英特爾 QLC在諸多行業得到廣泛的應用,并擁有很多成功的案例,舉幾個簡單的例子。

    首先看一下Lightbits。

    客戶案例之 Lightbits

    Lightbits是NVMe TCP標準的倡導者,他們推出了為數據中心存儲帶來超大規模敏捷性和簡單性的存儲解決方案,Lightbits軟件定義分解重構解決方案可以幫助企業私有云、SaaS和Iaas提供商前所未有的節省時間和Cost,同時實現更高的應用程序性能和公共云級別的超級可擴展性。Lightbits lab充分認識到了將新推出價格合理的閃存解決方案與高性能標準網絡相結合所帶來的機遇,其LightOS軟件和LightField儲存加速卡是第一個提供在高性能標準網絡上可運行全局閃存轉換層NVMe TCP解決方案。

    Intel和Lightbits合作利用QLCSSD搭配Optane Pmem為客戶提供了高效、敏捷、可擴展高密度存儲解決方案,其中Optane Pmem作為元數據存儲提供非常細顆粒度的日志結構元數據存儲能力,而Intel QLC SSD則作為主存儲使用,低成本、高密度,單節點可以達到數百TB。

    客戶案例之 XSKY

    再來看一下XSKY。繼2021年7月發布了星飛8000全分布式閃存系統后,XSKY和Intel繼續深度合作,又發布了星飛9000產品,成為國內第一個支持QLC的NVMe企業全閃系統。

    星飛全閃系統基于XSKY領先的DATAOS底座打造,比業界TLC全閃系統成本有顯著的下降,并且具備更高容量密度,同時保持全閃達到了性能、容量和成本均衡,使機器學習、實時分析等新型負載理想存儲平臺。星飛9000全面采用英特爾認證高科技部件,包括最新一代CPU、智能網卡,傲騰介質和QLCSSD產品,產品功能先進、穩定可靠,性能比星飛8000有大幅度提升,特別是大容量的NVMe QLC SSD,單盤容量超過30多TB,具有TLC相同質量和可靠性,給用戶帶來巨大性價比優勢。

    客戶案例之 京東云

    英特爾也跟京東云合作,基于Intel QLCSSD打造高性能、高性價比一個存儲基礎服務,英特爾QLCSSD在容量和壽命方面一些優勢幫助京東運提升了彈性擴展能力,并降低TCO,在諸如618、雙十一等業務洪峰期考驗中取得顯著成效。

    倪錦峰最后說:“英特爾希望跟更多的行業伙伴們一起加入NAND flash技術方案一個創新和生態系統方面一些演進,釋放存儲潛力,挖掘數據價值?!?/p>

    (根據演講速記整理, 未經本人審定)

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