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

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)。

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 。

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。

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。