从英韧企业级主控看数据中心SSD的未来技术

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全球正在进入数字经济时代,中国的“十四五”规划也重点提到发展数字经济,作为第五种生产要素的数据已经逐渐转变为引领经济发展的核心,各种大、中、小型数据中心业已成为数字经济的基础设施。在这项庞大的新基建工程中,数据存储技术将不可避免的成为基石技术。


企业级SSD市场高速增长

伴随5G、大数据、 AI及云计算技术的发展,大量的新商业应用将催生出对边缘计算和数据中心的海量需求。据IDC预测,全球数据总量预计2020年达到44ZB,5年年均复合增长率高达41.0%,其中超过50%的数据存储在数据中心;2025年,全球数据量将达到175ZB,5年年均复合增长率31.8%,而数据中心存储量占比将超过70%。作为数据中心越来越重要的存储介质,企业级SSD在2020年出货量将达到3560万个,平均容量达到2.7TB,出货总容量较2019年增长近30%。

下图是中国闪存市场发布的企业级SSD平均容量和出货量增长趋势。疫情带来的在线办公和网课加速了数据中心SSD的需求增长,所以实际增长要高于预期。

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随着存储量需求的快速增长,QLC等大容量、高密度的新型闪存芯片逐渐投入应用。但与此同时,QLC等新型闪存芯片的错误率更高,在企业级SSD对数据安全性和可靠性要求更高的情况下,SSD主控芯片的ECC(纠错码Error Correcting Code)技术越来越成为企业级SSD的核心技术和性能保障。最近,阿呆访谈了全球领先的企业级SSD主控芯片公司英韧科技副总裁陈杰,针对企业级SSD对ECC的新要求做些分享。

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QLC SSD在数据中心的应用趋势

在控制成本的前提下,提升数据中心的容量、性能尤其是实时性是目前数据中心的主要需求。受需求驱动,数据中心使用QLC是迟早的事情。首先,相较于传统HDD,QLC SSD具有更明显的性能优势,尤其体现在更高的随机读性能。使用QLC SSD将为服务器和数据中心带来更低的读延迟,使其更适用于实时性要求更高的数据读取密集型应用,如AI计算、机器学习、金融数据实时分析和各种在线大数据信息挖掘等。其次,相较于SLC\MLC\TLC, 陈杰认为QLC最有可能在数据中心有更大的应用场景,因其具有巨大的成本优势,尤其在海量数据的应用场景中。QLC本身容量大、成本低,因此使用了QLC SSD之后,存储密度更高,服务器集成度更高,这会极大地节省数据中心面积,进而节省运营成本。

与此同时,世界各大主流NAND FLASH厂商,如美光、Intel、铠侠和长江存储积极致力于QLC的研发,并相继发布了各自的QLC产品。随着技术的不断进步,人们普遍担心的QLC擦写寿命少正逐渐被改善和提高,比如从早期的500次擦写提高到近年来的2000次擦写。未来的NAND会有更多层,以及即将推出的PLC(i.e., 5-bit per cell), 都会使得成本被进一步降低,同时也将加速QLC的应用进程。

当然QLC也有缺点,它的写延迟是12ms,非常长,目前的擦写次数通常只能达到2000,另一个应用中的较大问题是Data Retention,这些都需要通过主控技术进行补偿。

作为全球技术领先的SSD主控设计公司,英韧科技从2016年成立之初,就和美光、铠侠在QLC方面开展合作。基于特有的专利编解码技术,英韧科技于2018年成功研发并全面启用4K LDPC(低密度奇偶校验Low-Density Parity-Check)纠错技术,并广泛应用于自主研发的消费级和企业级主控芯片中(如Shasta+ 和 Rainier),极大地降低了系统UBER(不可纠错误码率Uncorrectable Bit Error Rate),引领了纠错编解码技术在行业的技术创新发展。目前英韧的PCIe SSD各类主控芯片Shasta+及Rainier系列均支持4K LDPC,纠错能力可以完全覆盖QLC NAND。

4K LDPC牛在哪儿?

随着NAND Flash的制程越来越先进、单个Cell里面的bit数量不断增加,数据错误率也随之增长,因此市场对SSD主控的纠错能力要求越来越高,纠错技术已经成为SSD主控厂商的核心技术能力。

目前的SSD主控芯片大都采用LDPC编码来做ECC纠错,但是受限于芯片面积等因素,主流量产的主控芯片主要采用2K LDPC编码。英韧科技2018年推出了4K LDPC并在2019年实现量产出货。在同样的码率下(纠错码使用bit数量一样),实测4K LDPC纠错比2K方案降低UBER至少两个数量级以上,大大提高纠错性能。除此以外,英韧主控采用自主研发的LDPC专利算法,在解码算法迭代的时候,实时动态更新并优化解码规则,因此纠错能力比同类竞争对手方案提高30%。

不过在芯片中实现4K LDPC的难度还是很大的,如果不做优化,相当于至少2个2K LDPC,因此对面积、功耗都有极大的挑战和要求。 英韧科技从芯片架构设计开始,就考虑到了这些问题,比如针对不同的功耗,复杂度和吞吐率等需求,研发了多种不同性能的LDPC解码专利算法,同时利用机器学习和人工智能技术对各种解码算法进行结构和参数优化,使得这些算法硬件复杂度和在满足各自的需求方面都达到最优。最终实现功耗和面积达到现有条件下的极致优化,远远小于2K LDPC的2倍。

现在和未来的SSD主控芯片厂商必须要有纠错算法的自研能力才能在主控设计中游刃有余。

英韧科技的LDPC纠错码核心完全自主可控,其纠错技术优势主要体现在两方面的研发、设计能力。一方面是研发设计LDPC纠错码。如何设计以及构造性能优异的LDPC校验矩阵是至关重要的一步,这是因为LDPC校验矩阵的设计构造往往决定了LDPC纠错码的纠错性能和编解码算法的实现复杂度,如果校验矩阵设计考虑不周到或设计不好,仅仅靠解码算法很难将错误平层(Error Floor)降低到不影响系统性能的水平,而且会增加LDPC编解码算法的实现复杂度,带来芯片功耗的增加和成本的上升以及系统性能的下降。

另一方面是解码算法,闪存颗粒随着读写次数增加,错误率会逐渐上升。英韧科技的解码算法可以自适应调整解码算法的流程,在最低功耗、最低延时的情况下做到解码成功。

基于以上两方面的技术优势,英韧主控的纠错于设计之初就从底层原理出发,对矩阵构造和编解码算法都有许多精妙的优化,实现了很多突破。最终纠错能力极强,发生纠错失败从而触发重读的概率很小,同时纠错算法消耗的数据读取延迟短、功耗低。比如从主机发读命令到读取数据,主控的时延只需要10微秒!

目前市场上有多家闪存厂商,每家也有很多型号的闪存芯片,每年也推出最新的产品,这就对ECC纠错提出了一个更高难度的任务:能否支持各种各样闪存芯片和未来可能出现的新闪存芯片?如果对闪存芯片支持不好,就将给客户在选择采购闪存芯片时造成了很多限制。

英韧主控的ECC引擎做成了指令集的形式,可以通过软件程序动态配置,更通用化,能够灵活适配各种闪存颗粒。同样的NAND在不同生命周期的时候,还可以使用不同的LDPC纠错码。比如可以根据寿命改变码长,早期放少一些,后期放多一些。这样使得SSD系统在牺牲少许容量的情况下延长使用寿命。这种能力为更高效的使用SSD系统提供了一个可能,让接近使用寿命的SSD系统继续发挥余热,为使用SSD系统的客户提供了一种新的降低成本避免资源浪费的解决方案。

英韧科技一直在持续不断的对LDPC纠错码进行研究,对现有的SSD控制器中的LDPC编解码模块,设计了用于未来升级的接口协议。当一个新的性能更好的LDPC码产生出来,可以通过该升级接口协议对现有的SSD控制器的LDPC编解码模块进行升级,使得用户能够及时享受到英韧的最新研究成果,延长客户产品的使用周期和寿命。

每一个ECC引擎都相当于一个小CPU,几个ECC引擎就相当于多核并行处理器系统。ECC引擎的扩展性非常重要,因为SSD主控的性能不断提升,要求每个ECC核心的性能很强,同时支持多核扩展。英韧ECC单核纠错速度可以到32Gbps。即使是PCIe Gen 5的主控,也只需要增加ECC核心,而不用太大改动,芯片研发速度因此可以大大加快。

但是ECC引擎多了之后,功耗也会随之升高。以英韧科技的PCIe Gen4主控Rainier为例,主要通过以下几种方式,实现目前市场上PCIe主控芯片的最强性能和最低功耗:

1. 采用先进的12nm工艺,相较于市场上采用28nm工艺的PCIe Gen4的SSD主控,良好控制温度,提高用户体验;

2. 在不工作的时候降低或者关闭时钟频率;

3. LDPC会有大量的片内存储器访问,导致功耗高。英韧主控的内部数据搬移非常少,大幅降低功耗;

4. LLR Table的选择也是做了很多优化,不刻意追求高精度。

闪存芯片未来会怎么演进?

如下图,SSD性能这么高的秘密就在于有很多个闪存芯片可以并行读写,虽然单个芯片带宽没那么高,但是集体的力量大,很多芯片并行起来就可以实现非常高的性能。

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但随着QLC的逐渐普及,未来闪存芯片单颗容量会很大,一个SSD里面的闪存颗粒数量不需要那么多,这就会产生一个严重的问题,一旦SSD内部没有这么多的闪存颗粒,并行度就会下降,导致性能上不去,这该怎么办?

目前闪存厂商在想办法让NAND Flash内部提升并行度。主要做法是Plane数目会增加,同时Page Size变小(目前常规是16KB或者8KB)。Page变小之后,可以做更多的plane,相较于目前最多4个plane,未来有可能会有8个甚至16个plane。这些功能的改变都需要强大的主控支持,而英韧最新主控支持多达16个plane!

闪存芯片的接口速度也在日新月异,2016年是667 MT/s,现在是1600 MT/s,国际闪存原厂下一代闪存芯片接口将达到2400MT/s甚至更高。现在非常值得我们骄傲的是,我国自主的长江存储采用先进的Xstacking技术,在一个芯片里面把NAND存储单元和IO接口分开独立设计与加工,于2020年4月成功推出128层TLC和QLC两款产品,其接口速度达到1600MT/s,标志着我国闪存芯片的设计能力已达到世界先进水平。随着对技术创新的不断投入,我们相信国产自主的闪存芯片厂商会逐渐确立并引领世界技术创新方向,而英韧科技也已经做好了提前一步支持未来的高速接口的准备。

数字经济在蓬勃发展,作为信息基础设施的数据中心必然在未来的几年内不断对存储技术和产品提出挑战,随着QLC颗粒的应用,以及闪存芯片的不断演进,作为国际领先的SSD主控芯片厂商的英韧科技,也将继续推进技术创新,以更高性能的产品和更丰富的产品类型,满足更广泛的市场需求。

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