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[導(dǎo)讀]北京2023年8月24日 /美通社/ -- NAND閃存作為一種非易失性存儲(chǔ)介質(zhì),憑借其功耗低、重量輕、性能佳和斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)等特點(diǎn),成為比硬盤驅(qū)動(dòng)器更好的存儲(chǔ)設(shè)備,非常適合作為便攜設(shè)備的存儲(chǔ)器來(lái)使用。 固態(tài)硬盤(Solid State Disk,簡(jiǎn)稱SSD)是...

北京2023年8月24日 /美通社/ -- NAND閃存作為一種非易失性存儲(chǔ)介質(zhì),憑借其功耗低、重量輕、性能佳和斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)等特點(diǎn),成為比硬盤驅(qū)動(dòng)器更好的存儲(chǔ)設(shè)備,非常適合作為便攜設(shè)備的存儲(chǔ)器來(lái)使用。

固態(tài)硬盤(Solid State Disk,簡(jiǎn)稱SSD)是以NAND閃存介質(zhì)為主的一種存儲(chǔ)產(chǎn)品。近年來(lái),由于SSD的低功耗、高性能、穩(wěn)定安全等優(yōu)點(diǎn),使其越來(lái)越受到客戶的青睞,SSD也逐漸大量應(yīng)用于IT運(yùn)維、金融等行業(yè)。

性能vs成本,SSD如何兼得?

一個(gè)NAND閃存芯片封裝了若干個(gè)DIE(或者叫LUN),由于NAND閃存介質(zhì)技術(shù)的發(fā)展,其層數(shù)不斷增加,單個(gè)DIE的容量也不斷增大,對(duì)于相同容量的SSD而言,所需DIE的個(gè)數(shù)會(huì)隨之減少。帶來(lái)的好處是,SSD單位容量的成本和價(jià)格不斷降低,利好用戶的同時(shí)也有利于擴(kuò)大SSD的使用范圍。但與此同時(shí),DIE個(gè)數(shù)的減少又會(huì)導(dǎo)致NAND讀取的并發(fā)度減少,讀性能也會(huì)因此而降低。面對(duì)用戶日益提高的性能需求,這一缺點(diǎn)又會(huì)限制SSD使用范圍的擴(kuò)大。

通俗來(lái)講,SSD可以理解為一個(gè)需要接納一定數(shù)量居民的社區(qū),NAND閃存芯片相當(dāng)于其中一個(gè)小區(qū),DIE相當(dāng)于這個(gè)小區(qū)里的樓棟,Plane(平面)可以理解成這棟樓每個(gè)樓層的門戶,每個(gè)Plane又分成很多Block(塊),Block則相當(dāng)于每一戶里的房間數(shù),Page(頁(yè))相當(dāng)于一個(gè)房間里(Block)的人數(shù),而并發(fā)度可以理解為樓棟里的電梯,受Bus總線的限制,電梯一次只能載一個(gè)人。因?yàn)榻ㄔ旒夹g(shù)的發(fā)展,每棟樓(DIE)可以由原來(lái)的8層樓建造成16層樓,即每棟樓較之前可以多接納一倍的居民,在接納居民數(shù)量一定的情況下(相同容量的SSD),樓棟(DIE)的數(shù)量則可以減少一半,土地和建造成本則有所減少,房?jī)r(jià)也會(huì)相對(duì)比較便宜些,因此會(huì)受到購(gòu)房者的歡迎。但由于每棟樓(DIE)只有一個(gè)電梯(并發(fā)度),電梯數(shù)也隨著樓棟的數(shù)量減少而減少一半,對(duì)于居民來(lái)說(shuō),出行效率則大大降低,因此又會(huì)抑制購(gòu)房者的購(gòu)買意愿。

為了降低這種問(wèn)題帶來(lái)的影響,SSD廠商提出如通過(guò)提高電梯的運(yùn)行頻率來(lái)加快電梯的傳輸速率,或由樓管通知同一樓層的人同時(shí)準(zhǔn)備好出門去電梯口排隊(duì)乘用電梯等解決辦法。

當(dāng)前SSD基本采用Multi-plane(多面)的設(shè)計(jì)(主流使用4-plane設(shè)計(jì),相當(dāng)于一個(gè)樓層有4戶,4戶共用一個(gè)電梯,即“一梯四戶”)。隨著技術(shù)發(fā)展,讀方式由開始的Single-plane read(Single-plane讀)發(fā)展為Multi-plane read(Multi-plane讀),即從一開始的一次只能通知一戶中的房間里的1個(gè)人準(zhǔn)備出門再去乘電梯,發(fā)展成同一樓層四戶房間里的4個(gè)人同時(shí)準(zhǔn)備出門去排隊(duì)乘用電梯。

此技術(shù)對(duì)順序讀性能有很大提升,但對(duì)隨機(jī)讀性能的提升卻乏善可陳,因?yàn)轫樞蜃x時(shí),好比是樓管按順序坐電梯去每個(gè)樓層通知居民準(zhǔn)備出門,每次同一樓層的人都可以同時(shí)準(zhǔn)備出門,大大縮短了準(zhǔn)備出門的時(shí)間;但當(dāng)隨機(jī)讀時(shí),相當(dāng)于樓管要先后去不同樓層去通知指定門戶房間的人出門,只能讓先準(zhǔn)備好的人先乘用,等前面的一個(gè)人乘用完,才能讓另外樓層的人乘用,這和Single-plane讀區(qū)別不大。

為了在高順序讀性能的前提下提升隨機(jī)讀性能,異步獨(dú)立平面讀?。ˋsynchronous Independent Plane Read,簡(jiǎn)稱AIPR)功能應(yīng)運(yùn)而生。

AIPR功能旨在提高隨機(jī)讀取IOPS,隨機(jī)讀時(shí),通過(guò)AIPR功能可以增高并發(fā)度,提高數(shù)據(jù)傳輸總線的利用率,從而來(lái)提高隨機(jī)讀性能。即在樓棟內(nèi)增加電梯數(shù),在每一列戶門口都裝一個(gè)專屬電梯,雖然受Bus總線的限制,樓棟內(nèi)同一個(gè)時(shí)間只能用一個(gè)電梯,但樓管能在通知完一個(gè)樓層的人準(zhǔn)備出行后,馬上坐電梯去通知另一樓層的其他列住戶準(zhǔn)備出門,每一列戶出門準(zhǔn)備時(shí)間并行,一旦準(zhǔn)備好,即可乘用門口的電梯,提高了電梯傳輸?shù)睦寐?,從而提高出行效率?/p>

下文通過(guò)介紹上述三種讀方式的演進(jìn)和對(duì)比,來(lái)介紹AIPR的優(yōu)勢(shì):

1、Single-plane read

Single-plane read,即一次只讀取一個(gè)plane中的位置,示意圖見下圖1中Single-plane read。以4-plane TLC block為例(下文同),因DIE為并發(fā)度單位,由于tR(讀操作時(shí)間)的存在,此時(shí)讀完4個(gè)plane需要經(jīng)過(guò)4個(gè)tR時(shí)間,所有讀操作和數(shù)據(jù)傳輸串行,讀時(shí)延較長(zhǎng)且性能較低。為放松此限制,引入了Multi-plane read。

2、Multi-plane read

Multi-plane read,即可以同時(shí)讀取多個(gè)plane中的位置,如下圖2中Multi-plane read。對(duì)Multi-plane read來(lái)說(shuō),所有plane的讀取操作同時(shí)開始,而且每個(gè)plane中讀取的位置要求相同。雖然仍是以DIE為并發(fā)度單位,但此方式較于Single-plane read,讀操作時(shí)間并行,大大縮短了讀時(shí)延、提高了順序讀性能。

這種方法對(duì)于提升順序讀速度很有效,但對(duì)于隨機(jī)讀而言,Multi-plane read相對(duì)Single-plane read而言幾乎一致?,F(xiàn)在為進(jìn)一步提高隨機(jī)讀性能,提出將并發(fā)度單位由DIE改成plane,便引入了AIPR功能。

3、AIPR

AIPR功能開啟后,不同plane的讀取操作的時(shí)序和位置完全獨(dú)立,即不同plane可進(jìn)行異步且獨(dú)立的操作(如圖1或圖2中的AIPR)。通過(guò)AIPR,每個(gè)plane的讀取操作可以獨(dú)立啟動(dòng)。Data out command(數(shù)據(jù)輸出命令)也可以在每個(gè)plane的讀取操作結(jié)束后獨(dú)立啟動(dòng)。

當(dāng)進(jìn)行隨機(jī)讀時(shí),AIPR的并發(fā)度是Single-plane read的4倍(以4-plane為例),并且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),AIPR方式的數(shù)據(jù)傳輸總線利用率更高,對(duì)小容量盤的隨機(jī)讀性能提升更明顯,如圖1,可發(fā)現(xiàn)AIPR功能有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

浪潮信息企業(yè)級(jí)SSD:降本又增效?AIPR技術(shù)解決高并發(fā)讀取性能大問(wèn)題


當(dāng)進(jìn)行順序讀時(shí),與Multi-plane read進(jìn)行對(duì)比,AIPR方式的數(shù)據(jù)傳輸總線利用率也會(huì)更高,也具有一定的性能優(yōu)勢(shì),如圖2 。

浪潮信息企業(yè)級(jí)SSD:降本又增效?AIPR技術(shù)解決高并發(fā)讀取性能大問(wèn)題


隨著3D NAND閃存快速發(fā)展,NAND介質(zhì)的層數(shù)和密度越來(lái)越高,單個(gè)DIE的容量也隨之增高,在盤總?cè)萘抗潭ǖ那闆r下,DIE的個(gè)數(shù)則會(huì)減少。若仍按照Single-plane read和Multi-plane read的方式讀寫,則盤的總的并發(fā)度也會(huì)相應(yīng)降低,導(dǎo)致性能有所降低。相比Single-plane read和Multi-plane read,AIPR通過(guò)提高并發(fā)度來(lái)增高數(shù)據(jù)傳輸總線的利用率進(jìn)而提高隨機(jī)讀性能,與小容量盤的隨機(jī)讀性能提升顯著。

基于存儲(chǔ)即平臺(tái)戰(zhàn)略的新一代SSD高速存儲(chǔ)介質(zhì)

采用AIPR技術(shù)的浪潮信息NS8500G2/NS8600G2是定位于高性能的企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤,采用PCIe Gen4.0 x4企業(yè)級(jí)主控和112L 3D TLC NAND方案,符合NVMe1.4協(xié)議,各容量點(diǎn)均具有高讀性能:順序讀性能達(dá)到7000 MB/s以上;4K隨機(jī)讀IOPS能達(dá)到1600K以上,提升至Single-plane read/Multi-plane read方式的3.6倍。新一代SSD高速存儲(chǔ)介質(zhì)具有單端口和雙端口兩種形態(tài),支持全路徑端到端保護(hù)和國(guó)內(nèi)外加密算法,使數(shù)據(jù)更持久可靠,通過(guò)多檔精細(xì)功耗調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)能耗比提升37%。在云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,為金融、通信、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)超過(guò)700家客戶保障數(shù)據(jù)安全,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)永不丟失。

浪潮信息企業(yè)級(jí)SSD:降本又增效?AIPR技術(shù)解決高并發(fā)讀取性能大問(wèn)題


近年來(lái),浪潮信息存儲(chǔ)持續(xù)加大技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品創(chuàng)新的投入,不斷汲取各生態(tài)產(chǎn)業(yè)的前沿技術(shù),以精益精造的理念,不懈追求為客戶提供更加極致的性能體驗(yàn),充分發(fā)揮NAND閃存高效、可靠、綠色的優(yōu)勢(shì),以創(chuàng)新助推技術(shù)產(chǎn)品化,全面釋放數(shù)據(jù)價(jià)值,加速各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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