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    漫談QLC其三:QLC NAND的主流應用

    發布時間:2023-12-11 責任編輯:lina

    【導讀】前文所述,老四QLC在爭議中成長,已進入當打之年,憑借性能、壽命、容量和價格極致性價比的特性,配合主控和固件糾錯能力和算法方案的日漸成熟,進入到消費級SSD和企業級SSD主戰場,如今市面上有多款已量產的消費級和企業級QLC SSD,進入商用。


    前文所述,老四QLC在爭議中成長,已進入當打之年,憑借性能、壽命、容量和價格極致性價比的特性,配合主控和固件糾錯能力和算法方案的日漸成熟,進入到消費級SSD和企業級SSD主戰場,如今市面上有多款已量產的消費級和企業級QLC SSD,進入商用。

    QLC NAND的典型參數

    QLC NAND在三哥TLC NAND光芒映襯下,起初有些暗淡,經過閃存產業三到四代產品的打磨和提升,如今QLC NAND實際主要參數超出了用戶的傳統認知,如下表:


    漫談QLC其三:QLC NAND的主流應用

    行業主流QLC 閃存芯片參數范圍(源于網絡整理)


    1)NAND IO接口速度,和TLC相同,1.6GT/s~2.4GT/s。

    2)單Die大小,QLC是TLC的2倍。

    3)Page讀tR時間,QLC是TLC的2倍;但在SLC模式下,QLC和TLC的tR基本相同。

    4)Page寫tP時間,QLC較TLC更慢,是其5倍時間;但在SLC模式下,QLC和TLC的tP基本相同。

    5)壽命方面PE Cycle, QLC已大幅改善。

    總結:相比較TLC,QLC NAND IO接口速度相同,單Die容量更大,性能上讀寫擦速度會慢,但在SSD使用模式上使能SLC block模式,讀寫速度基本相同,性能慢的缺點會被遮掩。

    QLC在消費級SSD中的應用

    消費級SSD按產品定位,根據性能檔位分為高端和中低端產品,QLC NAND面世初期,由于較低的NAND顆粒性能,一般定位于中低端消費級SSD產品,產品定價低于TLC SSD,走極致性價比產品路線,獲得不錯銷量。

    如今QLC NAND顆粒在接口速度,SLC block模式下讀寫性能等參數已不輸于TLC NAND,QLC SSD性能跑分上可以躋身高端產品,但價格低于TLC 20%以上,無論對零售、渠道SSD用戶,還是PCOEM用戶,大幅降低了采購成本,QLC SSD無疑是不錯的選擇。

    按照消費級PCOEM SSD產品未來預測,2023年QLC SSD占比已大于15%,憑借和TLC SSD相同的性能但更低的價格,采購QLC SSD的比例將大幅增加。Retail SSD市場中,QLC SSD的極致性價比特性,用戶將會采購更多比例的QLC SSD。


    漫談QLC其三:QLC NAND的主流應用
    來源:網絡


    QLC在企業級SSD中的應用

    目前許多數據中心大量部署了成本較低的機械硬盤(HDD),以滿足不斷增長的存儲容量需求,但機械硬盤無法滿足現代工作負載對數據更快讀取訪問速度的需求。機械硬盤還會占據數據中心的較大面積,因而會增加空間、電源、散熱和替換方面的成本。

    一些數據中心采取的策略是將較慢、較笨重的機械硬盤,更換為更快的企業級TLC SSD。TLC SSD適用于混合和寫入繁重的工作負載,如高速讀寫應用,但采用TLC SSD未經過成本和容量優化,難以滿足以讀取密集型業務為中心的大規模數據需求。

    1) QLC SSD vs TLC SSD:

    相比較企業級TLC SSD,企業級QLC SSD性能和壽命更低,但其大容量和性價比特性讓QLC SSD成為TLC SSD的補充。QLC SSD更適合讀取密集型和部分讀寫混合型業務,例如機器學習ML、人工智能AI、內容交付網絡等。


    漫談QLC其三:QLC NAND的主流應用
    來源:網絡


    要確定企業級QLC SSD是否與您的工作負載匹配,遵照以下特征:

    a.帶寬:讀取數據高速度高帶寬。
    b.延遲:低延遲和高服務質量,有助于數據快速返回。
    c.業務模型:讀取密集型(順序或隨機),大數據塊數據讀寫工作負載。
    d.數據塊大小:大數據塊。

    2) QLC SSD vs HDD:

    相比較HDD,企業級QLC SSD更加輕便,性能更高,功耗更低,容量更大,因此QLC SSD最終的目標是為了取代HDD機械硬盤。

    企業級QLC SSD目前面臨的挑戰是,每GB成本是HDD的5-6倍,這是目前取代HDD最大的障礙。HDD憑借成本上優勢,依然占據數據中心數據總量的85%,主要應用于溫存儲對象存儲和冷存儲歸檔存儲等業務中。

    但未來從NAND成本角度來看,其堆疊層數依然可以繼續增加,帶來成本不斷的下降,其下降速度明顯大于HDD成本下降的速度,未來追上HDD每GB成本的3倍甚至1倍只是時間問題,我們終究可以等到這一天的到來,我們將答案留給時間。

    a.性能對比:

    QLC SSD順序讀性能是HDD的25倍,隨機讀性能是HDD的5700倍,平均延遲是HDD的1/23,性能方面完全碾壓HDD。

    b.壽命和耐久度對比:

    過去,用戶會認為QLC SSD的壽命和耐久度較差,實際上QLC SSD的壽命和耐久度超出了用戶傳統的認知。

    首先QLC SSD具有更大的容量,能夠將磨損分散到更大的區域,企業級QLC SSD DWPD(每日寫入量,代表壽命的一種參數)可以做到0.5,而HDD DWPD只有0.09,是它的5倍多。

    其次QLC SSD實際應用下的耐用性要求通常遠超出企業的預期,對于絕大多數企業用戶來說,因為99%的系統最多只使用了其硬盤15%的額定壽命(2020年2月USENIX大會),大多數固態盤在使用的過程中,只會消耗一小部分固態盤壽命,因此轉向QLC SSD壽命上沒有風險。

    c.UBER和AFR對比:

    QLC SSD的UBER(讀取數據錯誤比特率)是10-17,而HDD的UBER是10-15,是其的1/100。

    年失效率或返盤率方面,USENIX研究發現,QLC SSD的平均年失效率(AFR)介于0.07%和近1.2%之間,機械硬盤為2.9%。通過比較這兩個數據,QLC SSD AFR相比機械硬盤低7.5到28倍。


    漫談QLC其三:QLC NAND的主流應用
    來源:網絡


    d.TCO對比:

    數據中心的存儲TCO包括一次性采購費用(CapEx)和運營支出費用(OpEx)。

    一次性采購費用基于有效容量的購買。有效容量以有效TB(TBe)表示,是經過復制、容量利用和數據精簡后的實際可用存儲空間。

    有效容量對TCO具有較大的影響,由于需要提供冗余,并滿足性能要求,用戶購買的總原始存儲在成本上具有乘數效應。存儲解決方案提供商在描述每TB存儲成本時通常將有效容量作為宣傳點。

    數據精簡是所存儲主機數據與所需物理存儲的比率,數據精簡可幫助用戶存儲超過物理硬件能力的更多數據,所以產生的有效容量會增加,或者大幅降低滿足“有效容量”要求所需的原始存儲容量

    精簡數據有兩種方法:壓縮和重復數據刪除技術,壓縮數據有壓縮比如2:1,重復數據刪除,將相同的重復數據在存儲中只保留一份, 這些技術某些僅在全閃系統中實現,HDD中并未實現。

    舉例來說,Facebook的Zstandard壓縮算法可實現超快的壓縮和解壓縮速度,遠超機械硬盤的讀/寫能力,因而支持在固態盤上實時使用算法。此外,在VMware VSAN中,壓縮和重復數據刪除功能僅在全閃存配置中提供。

    運營支出涵蓋電源、散熱和磁盤故障方面的成本,相比HDD,QLC SSD高出幾十倍的性能/功耗比,單盤大容量帶來單機架上采用更少硬盤數,以及更少的機架數帶來的更小的總功耗和占地空間,長期來看更低的單盤故障率,大幅降低了運營支持。

    最后:QLC應用的未來思考

    綜上所述,QLC NAND在消費級和企業級SSD領域中異軍突起,找到一定的合適的應用場景,用戶開始接受和擁抱QLC SSD,逐年采購比例的增長趨勢已經確立,特別是大容量SSD應用場景。

    既然QLC在SSD領域已經試水成功,未來進軍消費類嵌入式eMMC、UFS領域也不是沒有可能,目前已有原廠的UFS采用了QLC作為存儲介質發布產品,這是一個開始,也是一種信號,或許不久的將來QLC在消費級嵌入式產品有更多的新品發布。



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