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性能、容量都不能少,谁是企业级存储的最优之选?

半导体行业观察 ·2020-06-10 09:29·半导体行业观察
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近年来,传统NAND闪存SSD在技术上取得了一定进步,其中一个体现是传输接口从之前的PCIe 3.0升级到了PCIe 4.0,常见的x4(四通道)基础上理论传输带宽可达到近8GB/s。不少厂商都为PCIe 4.0接口的SSD贴上了“性能旗舰”的标签,那么这是否意味着NAND闪存SSD在换用新接口后就能具备很强的性能,能够满足企业级应用的要求呢?接下来先让我们看看目前在企业存储应用领域有什么新的需求。


SCM(Storage Class Memory存储级内存产品)热潮正在兴起


英特尔院士、首席傲腾系统架构师、英特尔非易失性存储解决方案事业部Frank Hady博士认为数据量的暴增提升了企业端对存储性能的需求。

2020年,企业存储与多年前相比已大有不同,其中一个重要的体现是数据量的暴增使得企业级存储需要更快、更强的产品。英特尔院士、首席傲腾系统架构师、英特尔非易失性存储解决方案事业部Frank Hady博士认为未来存储的发展将由工作负载的需求驱动。庞大的数据集将在未来不断涌现,全球数据量每三年就会翻一番。而且如人工智能与物联网这样的工作负载则需要具备越来越高的性能,能够快速访问这些海量数据集。举例来说,在人工智能的流水作业中,其每个阶段都需要从处理器/工作负载到数据进行不同的交互。

SCM存储级内存产品要求产品拥有介于内存与闪存之间的性能、容量,传统NAND闪存显然难以达到这一要求。

因此,现代存储系统需要灵活多变,并能够为随机读/写和顺序读写提供高性能支持。存储技术正在不断演进以满足这类需求。这也意味着我们需要让存储的性能变得更高,从而拉近更多数据与处理器之间的距离,而正在兴起的SCM(Storage Class Memory)存储级内存就是为满足这一要求设计的产品。符合SCM标准的存储产品不仅应拥有接近内存DRAM的性能表现,同时还得兼具传统闪存的容量优点,具备存储级的持久化和内存快速字节级访问的共性。毕竟在传统计算机中,各类存储产品与内存的性能差异太大,徒增了不少功耗,数据往返的时间,存储系统成为整体性能的短板。如果能引入性能更强的SCM产品作为内存、SSD之间的“桥梁”,成为它们的暂存器、缓存,就能弥补内存与普通SSD在性能上存在的巨大鸿沟。

所以用户需要SCM产品拥有接近内存的整体性能,特别是访问延迟,可以起到大幅降低I/O延迟,并用于延迟敏感型实时处理场景的目的。同时除了用作缓存,SCM产品也应像传统SSD那样,可用作最高性能层级的持久化存储,在这个用途上,企业端用户对它也有三大要求:第一同样是需要接近内存的读写性能,能带给用户更快的读写速度;第二是性能一致性,在长时间使用后,存储设备的性能不能出现明显衰减;第三则是长寿命,毕竟企业级存储里的数据都是“无价之宝”。

新型存储介质才能打造高性能SCM产品


显然,企业对SCM产品的需求是传统SSD难以满足的,哪怕它换用PCIe 4.0接口也无济于事,毕竟传输接口的升级并没有改变新款SSD仍使用NAND闪存的现状。而NAND闪存与用户的需求相去甚远,在延迟上内存的访问延迟不到0.1微秒,而NAND闪存的访问延迟高达近百微秒。事实上,从实际测试来看,除了顺序传输速度能小幅超过4GB/s外,PCIe 4.0 SSD的随机读写性能、访问延迟与PCIe 3.0 SSD相比都没有明显差别。在使用上,不管SSD采用哪个接口,NAND闪存都存在读-修改-写这个过程,长时间使用后,都会出现数据脏块,都需要进行垃圾回收,出现速度下降的问题。同样,NAND闪存颗粒寿命有限的问题,也不会因为接口的升级而带来任何改变。

不论是性能还是寿命,傲腾固态盘相对于传统3D NAND固态盘都具有压倒性优势。

所以要打造高性能SCM产品,最为关键的还是使用全新的存储介质,例如英特尔基于3D Xpoint技术打造的傲腾介质。基于傲腾介质的傲腾持久内存、傲腾固态盘具有诸多新特性。首先是它支持就地写入,写入前不需要进行数据擦除。不像普通NAND闪存存在读-修改-写这个过程,因此它拥有更好的性能。同时在长时间写入后,它也不会出现数据脏块,不需要进行垃圾回收,因此傲腾产品可以很好地保持性能一致性,不会出现NAND固态盘用得越久、性能越差的问题。其次是傲腾技术支持位寻址,可以提供超低的延迟,带来更快的传输速度,形象地比喻,就是将数据的载体从汽车升级为飞机。延迟方面,它最好可以做到微秒级别,虽然和内存DRAM的不到0.1 微秒相比还是存在一定的差距,但是已远远好于NAND闪存的近百微秒的水平。与采用NAND闪存颗粒的英特尔DC P4600 SSD 相比,傲腾固态盘DC P4800X的读取延迟在不同写压力、不同队列深度下, 只有传统NAND SSD的 1/8到1/63。从实际使用来看,新华三HPE 3Par存储系统在增加英特尔傲腾SCM产品作缓存后,存储系统的访问延时降低了50%,而I/O吞吐量则提升了80%。

此外新介质大幅提升了傲腾产品的寿命,英特尔傲腾固态盘可以支持多达60个DWPD(每日全盘写入次数),而英特尔P4600、P4610这样的高性能、高寿命NAND固态盘,也只能支持3个DWPD左右,英特尔傲腾固态盘的优势是非常可观的。因此只有像傲腾持久内存、傲腾固态盘这类产品才能满足企业对高性能SMC产品的需求。

携手3D NAND 带给企业最优存储解决方案


在企业级存储中,应根据数据的类型、负载对它们合理地使用存储设备。

当然傲腾的优势并不意味着我们就不需要传统的NAND闪存了,从经典的存储分层金字塔架构图中可以看到,在企业级存储中,应根据数据的类型、负载对它们合理地使用存储设备。例如可以使用DRAM内存、英特尔傲腾持久内存来存储热数据,因为它们拥有很高的性能和超低的延迟,离CPU和GPU最近,能够获得及时的洞察。而英特尔傲腾固态盘搭配以英特尔为代表的TLC、QLC NAND固态盘,则凭借大容量、高性能适合用于热、温热、温存储。这种分层设计的绝妙之处在于金字塔里的每一个层级的数据、使用产品在容量和延时特性上正好有数量级的差距,这就使得用户可以根据数据的类型、工作负载进行冷热分层,并同时参考自己的预算,对性能的需求,对功耗的预期,来不断地优化自己的存储方案。

这样的分层结构也就意味着英特尔3D NAND将持续提高密度,包括提高每单元的比特数,以及每比特的密度来承载这些数据。围绕处理器的内存和存储技术层级结构将随着专属的存储层数量而增长,就性能而言,每一层的作用是将更多的数据移向处理器。毕竟要让计算更有效率,存储就必须更接近处理器。

让存储更接近处理器 让存储容量更大、速度更快


在5G技术日渐成熟、在这个数据爆发的时代,由于成本、技术多个因素的限制,内存容量的增长已经明显放缓,远落后于每日新数据的增长速度。虽然SSD所用3D NAND闪存的增长能够跟上数据的增长速度,但由于它距处理器太远、性能太差(时延太高),所以无法代替内存来存储这些数据。而英特尔傲腾这类全新存储介质的出现则有效解决了这个难题,凭借突出的性能优势,它将更适合存储那些超出内存容量之外,但需要尽快计算的庞大数据集,使得存储和处理器更加靠近,帮助企业实现高效的工作效率。

同时未来的存储也将在NAND固态盘层面进行创新。由于采用了浮栅技术和CuA设计,英特尔QLC 3D NAND固态盘能够以更低成本存储更多数据。在实际使用中,英特尔傲腾持久内存和固态盘能够存储使用频率最高的数据,结合超大容量的3D NAND固态盘,这一组合可以最大程度地发挥各自的优势所在:对最常用数据进行最高性能访问,对不太常用的温数据、冷数据等所有数据也能实现快速访问。这一灵活、能够洞察存储介质,并经过软件优化的解决方案能够在QoS SLA中提供现代数据存储解决方案,并快速传送所有类型的数据。因此,英特尔傲腾加英特尔3D NAND固态盘这个各有所长、各有分工的组合就是目前企业级存储解决方案中的最优之选。


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