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企业级SSD发展趋势

时间:2017年10月11日

SSD相对于HDD有许多明显的优点:如噪音、体积、重量、容量,3.5寸的固态硬盘可以做到60TB,2.5寸的固态硬盘最大可以做到32TB,尤其是SSD硬盘的随机读写性能大大超过HDD,许多企业早期在一些关键业务开始使用固态硬盘。现在唯一制约SSD发展的是SSD的价格,SSD价格下降的一个重要的因素则是TLC NAND技术的成熟。

早期为了进一步提升NAND存储密度和降低成本,NAND颗粒的工艺一直在不断的提升,但是随着工艺的不断提升,每个cell之间的干扰也会变得越来越严重,各家厂商开始研发3D NAND技术,在平面基础上通过NAND颗粒的堆叠来实现容量的增加。现阶段各家的3D NAND都已经开始推出到了48层,最多可以达到64层甚至更高,后面还有90多层。

除了3D NAND,各个厂商也开始去研发新的存储介质,PCM相变存储器就是其中一种,它利用一个特殊的材料,在晶态和非晶态之间进行相互转化的相变来存储数据,我们先不讨论它使用什么材料,先看它有哪些优点。首先就是比现在的闪存快100倍甚至更多,同时还有百万级的数据擦写次数,对于电热的驱动温度控制其实是一个重要的难点,因现阶段的PCM还是处于实验室阶段。

随着新电路和新主控的出现,z - NAND的读延时明显低于普通的NAND颗粒,与普通NAND相比,寿命也得以大大提高。这就使Z-NAND有一个介于DRAM和普通SSD之间的性能。

Z-NAND、PCM,3D NAND堆叠技术,都是在存储介质上正在应用或正在探索的技术,除此之外在SSD的接口协议上也有一些变化,我们知道SATA SSD继承了HDD的生态系统,在兼容性方面有着很好的表现。但现在有很多企业,逐渐在自己的关键性业务上开始使用NVMe SSD代替SATA SSD,NVMe SSD除了有更高的理论带宽和更低的延迟,接口相比以前也更加丰富,现在的NVMe SSD不像以前的AIC的端口,U.2接口的出现使NVMe SSD更加易于管理和维护,可以实现前端的插拔,实现不停机的更换。虽然现在还有许多不利的因素制约着NVMe SSD的发展,比如像它的功耗、散热等等,但是围绕着NVMe SSD也有一些新技术在不断推出,使NVMe SSD适配于更多场景。

Dual Port NVMe SSD可以让一块存储设备可以连接在两个不同的磁盘控制器上,当其中一个磁盘控制器出现故障,第二个控制器可以迅速接手,避免无法使用。为了使每个磁盘控制器都有足够的带宽,通常将U.2接口的PCIe 3.0 x4带宽一分为二,每个磁盘控制器在访问SSD时都可以拥有一半的带宽。

Multi-Stream的技术已经写到NVMe spec V1.3中,根据主机端提供的Stream ID,将具有相同或相似生命周期的数据写入到相同的擦除单元中,大大的提高了GC时效率,减少了写放大,使得SSD的性能和寿命都有了较大的提升。

Key Value SSD,通过现有的存储架构将KV的接口转成下层的Block接口,在这个过程中需要KV到LBA再到PBA的转化,这个转化很消耗资源,KV SSD砍掉了不必要的软件层和硬件层,使应用程序可以更直接的访问到SSD,大大提高SSD的访问效率。各大厂商都开始向标准化组织提出他们自己的技术建议,希望推动KV SSD成为开放性的标准,以此来推动SSD的发展。

传统虚拟化都是通过软件实现的,虽然实现了CPU的虚拟化,但没有实现I/O的虚拟化,I/O的决策还是通过软件实现的,这样就会带来一个瓶颈并且影响性能。SR-IOV可以将一个物理控制器虚拟成多个虚拟控制器,并将一些物理资源分配给虚拟控制器,以此来让数据传输绕过软件模拟层直接分配到虚拟设备,以达到降低软件模拟层中的I/O开销的目的。

NVMe over Fabric,这个技术现在研究的人较多,现在一个SSD可以提供高达10TB的容量,可以提供十几万甚至几十万的IOPS,对于单台服务器来说是比较浪费的,我和互联网的同事们沟通过,如果在一个SSD上存储太多的数据,那么CPU或者内存就可能会成为瓶颈。只能少存一些数据,这样也会带来巨大的空间的浪费。在NVMe over Fabric出现之前也有一些其他的互联协议提供一个共享方式,通过改善系统的性能,以减少CPU的负担,像iSCSI,但是iSCSI仍然受到SCSI协议的限制,存在较大协议的开销,NVMe在单系统上有很高的性能和效率,NVMe over Fabric把高性能高效率带到了NVMe存储互联结构当中,大大的减少了网络的延迟,在低压力下,NVMe over Fabric环境下的延迟比本地延迟稍微高一点,但在高压力下它的延迟和IOPS基本可以做到和本地一个水平。

现在的闪存介质相较于以前已经有了比较大的进步和发展,3D NAND技术使得现在SSD的容量越来越大,有一些新的技术绕着SSD在不断的出现,以解决SSD或者SSD使用过程中的痛点,比如KV和Multi stream最大化的挖掘SSD的潜能,SR-IOV和NVMe over Fabric解决SSD在虚拟化和网络应用环境下的瓶颈。以后还会有更多新的技术出现。

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