变与不变:走向十年的Intel数据中心SSD

转载 2017年12月26日 00:00:00

据今年5月DRAMeXchange发布的企业级SSD市场统计显示,Intel以40%的份额占据了全球企业级SSD市场的榜首位置,240万片出货量傲视群雄,三星以25%的份额排名第二,西数/闪迪与东芝分列三四位。

第一季度通常被认为是“淡季”,全球出货量就达到600万片,这意味着全年的全球出货量将超过2400万片,这还仅仅是SSD市场的冰山一角——企业级SSD出货量仅占全球SSD出货量的10%。今年差不多也是Intel大举进入SSD市场的第10个年头——2008年推出的X25-E系列SSD迅速被市场所接受,开启了芯片巨人在SSD市场的攻掠之旅。

图右黑框白壳的即为Intel X25-E SSD,刚推出时仅有32GB和64GB两个容量版本,采用Intel 50nm的SLC闪存颗粒,使用3Gb/s SATA接口;图左黑色外壳为2009年推出的X25-M系列SSD,使用34nm的MLC闪存颗粒,仍然是3Gb/s的SATA接口,但容量提升为80GB,并增加了TRIM支持

与“革命前辈”X25-E相比,现在的SSD虽然仍保留有2.5英寸外形的规格,但内涵却不可同日而语。以Intel今年推出的DC P4600为例:

*2018年第一季度,DC P4600系列的最大容量将达到6.4TB

从上图对比可以看出,经过近10年的发展,SSD容量提升超过100倍,IOPS和带宽(性能)提升了数十倍。新技术如3D NAND、TLC以及全新NVMe的加入,使得SSD的容量和性能都有数十倍乃至上百倍的提升(注:此对比不代表平均水平,仅体现最大差异)。

3D之争 后发能否先制

SSD的容量提升实际经历了多个阶段,比如传统平面NAND的工艺提升,从早期的50nm到现在20nm,乃至1xnm(Intel DC S3510系列SSD就使用16nm工艺),从SLC到MLC,再到现在广泛使用的TLC。在平面NAND技术很难进一步将密度提升之后,SSD又逐步过渡到3D NAND的轨道上。譬如三星推出其3D V-NAND技术并应用于SSD之后,结合TLC技术,进一步增大存储密度,有效降低了SSD的每GB成本。

英特尔当然不愿意丧失定价的主动权,于是和美光(Micron)在2015年宣布联合开发3DNAND技术,并在第二年(2016年)至强(Xeon)E5 v4处理器家族发布的同时,推出了首款采用3D NAND技术的DC P3520系列SSD。

Intel首款采用3D NAND技术的DCP3520系列SSD,提供两种形态:用于各类型服务器平台的传统PCIe插卡式(Add-In Card,AIC)SSD,和需要服务器提供背板支持的(2.5英寸)U.2驱动器形式SSD。由于仍采用(平面)MLC颗粒和第三代控制器,P3520 SSD的最大容量为2TB

Intel的3D NAND采用标准的Floating-gate(FG,浮栅)技术,并宣称:相比于电荷捕获技术(Charge-Trap Flash,CTF),FG能够实现更高的存储密度,也更可靠;同时,CMOS位于FG单元堆叠阵列的底部,拥有更高的利用率。

Intel公布的3D NAND技术示意图,采用32层堆叠,每die能达到256Gb(MLC)或者384Gb(TLC),单个NAND闪开颗粒支持最大16个die封装,这意味着单个NAND闪存颗粒的最大容量就能达到512GB(MLC),乃至768GB(TLC)。由此算来,单个2.5英寸驱动器规格的SSD容量可以超过10TB

时隔一年之后,Intel推出了面向数据中心领域的新一代SSD——DC P4500/4600系列:使用3D NAND TLC闪存颗粒,最大容量达4TB(2018年第一季度,DC P4600系列的最大容量将达到6.4TB);全新的第四代闪存控制器和固件,以及采用更新的NVMe 1.2规范……

伴随DC P4500/4600系列SSD的发布,作为其主要产地之一的大连工厂也宣布扩建,以增加产能。英特尔大连工厂于2007年奠基,2010年正式投产。2015年10月,英特尔宣布投资55亿美元,升级大连工厂为非易失性存储技术制造基地。2016年7月,英特尔大连工厂项目提前投产;2017年5月又宣布扩建计划,可谓一年一个大台阶,也反映出以中国为代表的市场对SSD的旺盛需求。

代号Fab 68的英特尔大连工厂肩负新一代SSD的生产重任

红海蓝海 品质唯先

在中国的数据中心市场,Intel品牌SSD占有的份额更高,一度可达国内数据中心SSD市场的60%以上,包括BAT在内的互联网公司都大量使用了Intel SSD。这一方面得益于竞争对手的“不给力”,更重要的则是Intel SSD本身所具备的品质。

NAND闪存颗粒可以说是SSD的PCB板上最主要的组成部分,更占据SSD总体成本的80%以上,这可以通过DRAMeXchange网站公布的价格来推算。当然,P4500/4600是Intel最新一代数据中心级SSD,采用了最新的3D NAND技术,以及新一代的控制器和固件,DRAMeXchange网站并没有相关信息,但其成本构成比例应该不会有太大的变化。

2010-2017全球NAND闪存市场份额,三星一直是排名第一,占据了近40%的市场份额。以Intel的NAND产能,绝对不能打价格战,把重心聚焦在数据中心蓝海是明智之举。图源自:DRAMeXchange网站

Intel长期占据统治地位的CPU业务会给其SSD业务带来一些帮助,但并不总是正面效应。譬如一些OEM大厂的服务器,出于种种考虑,标配的通常不是Intel品牌SSD。部分原因在于,OEM大厂通常有强大的研发能力,机型总数又相对有限,能够针对性优化开发,而SSD供应商也乐于为大客户服务,所以SSD的兼容性基本不会成为问题。

但在白牌服务器市场,或者从ODM直接采购/定制,面对各种型号、软硬件配置都不确定的服务器平台,SSD本身的兼容性和稳定性就显得尤为重要。在这一市场,Intel品牌SSD无论是在口碑还是影响力上,都具有明显的优势,其中闪存控制器和固件发挥了更重要的作用。

NAND闪存固然为SSD的容量和性能提供了基础条件,但要将性能,以及企业用户所关注的可靠性和稳定性发挥出来,还得靠闪存控制器和固件。后两者在很大程度上决定了SSD在实际应用中的品质,或者说体验。

1.6TB容量的Intel DC P4600 SSD“裸照”,正反面共布置了10颗NAND闪存颗粒(图上为正面6颗,反面还有4颗NAND),每个die容量为48GB,单个NAND闪存颗粒封装4个die——192GB容量,10个颗粒共计1920GB容量,实际可用容量1.6TB,剩余320GB用于OP(Over-Provisioning,内部冗余)。还可以看到,在整个PCB板上,控制器只占了很小部分空间,即使加上控制器所需要的DRAM,也只占据大约20%的空间。如果是更大容量的PCIe插卡式SSD,控制器在空间和成本上所占的比重更小,而固件则根本看不到——谁用谁知道

再战NVMe P4500/4600能否延续辉煌?

打一个不太贴切的比喻,SSD中的闪存控制器和固件,相当于PC中的CPU和操作系统,CPU的性能很大程度上决定了PC的性能,而操作系统与硬件适配的兼容性,以及高级功能则决定了用户体验;同时,CPU与操作系统的相互支持优化能力也对用户体验无比重要。闪存控制器与固件的关系也大致如此。

虽然NVMe SSD是一个全新的事物,但Intel在SATA时代的经验可以继续借鉴。Intel是SATA标准的发起者之一,参与规范制定,并在2003年推出支持SATA协议的南桥芯片(ICH5),现在独立的(纯)SATA控制器已经基本不存在,Intel芯片组集成的SATA控制器在多数情况下已经够用。对SATA标准和控制器产品的熟练掌握,对Intel的SATA SSD产品意味着什么,可谓不言而喻。近十年前,Intel X25-E系列SSD惊艳亮相,就离不开Intel在SATA上多年的经验积累。

直到现在,SATA接口SSD仍占据了Intel品牌SSD的半壁江山,但Intel早就清楚,以PCIe为代表的高性能接口才是SSD的未来。SATA接口诞生于磁盘时代,围绕磁盘特性而设计;而闪存是一种完全有别于磁盘的存储介质,要充分发挥闪存的优点,避开闪存的劣势,新一代接口必须能够“扬长避短”。众所周知,PCIe接口具有极高的性能,同时还有可扩展性,比如单条PCIe 3.0通道能到到1GB/s的带宽,随着PCIe通道数的增加,其性能线性增长。并且,PCIe还有4.0乃至5.0规范,未来潜力无限。

但PCIe最初并不是专为存储而设计的,要用于存储,还得针对存储特性进行专门设计。得益于PCIe接口的层次化架构,可在PCIe接口的基础之上构建适用于存储领域的新一代接口规范。

PCIe接口的层次化示意图,按照IEEE802网络协议模式来理解的话,其大致可以分为物理层、链路层和传输层三层,某些层下面可能又包含多个子层。NVMe实际上是一个寄存器级的逻辑设备接口(logical device interface)规范,其基于PCIe规范,并使用PCIe的电气接口

NVMe(NVM Express的简称),是专为闪存等非易失性存储(Non-Volatile Memory,NVM)而全新设计的逻辑设备接口规范,最早在2007年的Intel技术峰会(IDF2007)上提出,并于同年由Intel领导成立工作组着手制定相关规范,2008年在Intel官网发布过一版草案(NVMHCI 1.0),真正意义的NVMe规范制定工作从2009年开始, 并于2011年3月发布,即NVMe 1.0规范,此后NVMe工作组改为NVM Express标准组织,并在2014年发布NVMe 1.2规范,增加了很多企业业务场景所需的功能。

NVMe规范发布时间节点图,从NVMe 1.0规范发布之后,开始为NVMe增加企业级存储功能,包括多路径I/O、命名空间共享与管理以及虚拟化等功能;又先后在2015和2016年增加了管理接口规范和NVMeover Fabrics(NVMeoF)规范等。规范与实际产品有一定的时间差,同时还得有测试验证阶段,Intel在今年全面支持NVMe 1.2规范已经是比较早的了

为了满足企业级市场的需求,NVMe不断完善自身功能,随着功能的增加,这意味着闪存控制器需要更高的性能;另一方面,随着平面NAND向3D NAND过渡,更大的容量管理也对闪存控制器的性能提出更高要求。在DC P4500/4600系列SSD中,Intel采用全新设计的第四代闪存控制器,资料显示,新一代控制器能提供更高的性能,更利于发挥闪存的优势:

  • 突破上一代2TB容量限制,最大可达4TB以上(如6.4TB、8TB或更高);

  • 增强硬件加速NVMe命令,提高性能;

  • 从上一代的每队列最高32个4k命令提升到最高128个,提升服务器效率;

  • 支持更新的NVMe 1.2规范;

  • 支持NVMe-MI规范,可带外管理,便于运维。

值得注意的是,P4500/4600系列SSD在提升性能的同时,还完全支持NVMe-MI(NVMe Management Interface,NVMe管理接口)规范,其中最重要的一点就是带外管理功能,这对大规模数据中心的意义不言而喻

闪存控制器与固件在某些时候真的很难割裂开看,控制器是基础,固件则是对NVMe规范的具体实践和针对性优化,Intel从另一个角度诠释了全新固件对DC P4500/4600的意义:

  • 增强固件算法,提供更好的QoS;

  • 增强TRIM,最小化性能影响;

  • 最大支持128个命名空间(Namespace),增大应用范围;

  • 升级TCG OPAL和Thermal Throttling,更高级的数据安全;

  • 免停机固件升级,减少停机时间。

由于NAND闪存的本身特性导致SSD的读写性能差距较大,还有写入寿命的限制,Intel按照以往惯例对DC P4500和P4600的应用场景进行了区分:P4500主要替代P3520(P3520替代P3500),用于面向读密集型的应用场景:P4600系列SSD则用于替代P3600,面向中度写负载的应用场景需求。

篇幅有限,关于Intel最新一代NVMe SSD的技术要点就介绍到此,在下一篇文章中,我们将对Intel最新一代的SSD在服务器平台上的应用进行介绍。同时,企事录实验室对于这两款NVMe SSD的应用测试正在进行中,详细结果将会在之后的文章中发布。敬请关注!

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