半導體製程進步所帶來的NAND Flash記憶體容量增長,正以超乎想像的速度,改變著人們對於SSD儲存應用的認知。

在6月份的儲存月報中,我們才剛介紹過SSD與機械式硬碟的容量增長交叉點已經到來,以及15.3TB大容量SSD即將上市的訊息。緊接著在8月舉行的Flash Memory Summit 2016中,各大SSD供應商又將SSD儲存容量推上一個新高峰,展出32TB與60TB容量的SSD原型產品,接下來容量達到100TB等級、採用QLC NAND晶片(Quad-Level Cell)的SSD,也將在近期內問世。

而藉由這樣大容量的SSD,將會進一步擴大SSD的應用領域,從而翻轉當前當前的儲存應用生態,改變資料中心的儲存架構。

SSD容量新高點—32TB與60TB

目前銷售中容量最大的SSD,是最近正式進入通路開始銷售的三星PM1633Ma,有15.3TB容量。不過在日前舉行的Flash Memory Summit 2016中,三星、華為與Seagate都展出了更大容量的SSD。

三星展出的是15.3TB的PM1663a後繼者—32TB容量的PM1643,採用了64層堆疊的三星第4代V-NAND技術,傳輸介面為12Gb SAS。

華為也展出一款32TB容量SSD—HSSD,同樣採用2.5吋封裝與12Gb SAS介面的,不過這款產品不是通用的SSD,而是專門搭配華為儲存設備使用,另外晶片也仍是使用美光的2D NAND。

但容量規格最驚人的則是Seagate的SSD新產品,雖然仍是使用2D NAND晶片,但透過3.5吋的產品封裝,可以提供高達60TB的容量,締造了單一儲存裝置的最高容量新紀錄。

我們將這3款超大容量SSD的規格整理於下表。就儲存容量來看,自然是Seagate領先,不過就儲存密度來看,Seagate展出的3.5吋60TB SSD,單位體積的儲存密度,其實還略低於三星與華為的2.5吋32TB SSD,不過透過尺寸更大的3.5吋封裝來獲得更大的容量,不失為提高容量的一個有用方法。另一方面,從目前的發展也可看出,即使不使用3D NAND,依靠既有的2D NAND技術也還有相當程度的容量成長潛力。

Seagate在的Flash Memory Summit 2016中展出了60TB SSD,締造了單一儲存裝置的最大容量記錄,不過這款產品採用的是3.5吋封裝型式,儲存密度其實還稍遜於三星與華為的2.5吋32TB SSD。

即將到來的100TB等級QLC SSD

依照過去的經驗,三星、華為與Seagate展出的這幾款超大容量SSD新產品,應該會在2017下半年陸續上市銷售,讓市場上的SSD容量再次翻倍,不過以時間點來看,屆時採用QLC NAND晶片,容量達100TB等級的SSD也將問世。

在Flash Memory Summit 2016中,有數家廠商都談到了QLC SSD的訊息。東芝(Toshiba)透露近期內就會發布採用QLC NAND晶片的SSD,容量可望上看100TB等級。臉書Facebook也發表了他們對新一代儲存裝置的展望,談及一種「一寫多讀(Write Once Read Many,WORM)」型式,容量可達100TB的儲存裝置,據稱就是一種QLC NAND型式SSD。

目前主流的MLC NAND晶片是在每個cell保存2位元資料,有4種電壓變化,TCL則是每個cell儲存3位元資料,有8種電壓變化,從而讓每個cell的儲存容量得以翻倍。依此類推,QLC是每個cell保存4位元資料,所以一共有16種電壓變化,因而也再次倍增了儲存容量。

藉由QLC NAND技術,可望讓SSD的容量攀升到100TB等級以上,雖然先前TLC NAND為人詬病的缺點—可靠性低、耐用度差,在QLC上都會更為嚴重,但憑藉著超大容量與低功耗的特性,可望為SSD創造出新的應用領域—長期保存大量資料的冷儲存應用。

大容量SSD搶占冷儲存應用

隨著每個cell保存的資料位元數增加,雖然大幅提高了SSD的儲存容量,但寫入壽命與寫入效能也隨之下降。SLC有1萬次等級的寫入壽命,MLC便下降到3,000次,TLC又下降到1,000次,QLC更降到150次左右,寫入效能也更差。

而且就一般的儲存應用來說,單一的超大容量SSD,無論效能或可用性,均不如多臺較小容量SSD有利。

以效能來說,SSD數量越多,藉由stripe存取獲得的效能也越高,所以利用更多小容量SSD來組成相同總容量的系統,要比使用少數超大容量SSD更有利;就可靠性來說,當SSD失效時,超大容量SSD損失的資料量、與需要重建的資料量也越多,以致重建時間越長,不如使用較小容量的SSD有利。

所以容量特大、但耐用壽命有限的QLC SSD,並不太適合一般儲存應用情境使用,儘管如此,有一種情境卻特別適合QLC SSD—就是歸檔等靜態資料保存應用,這類環境以讀取應用為主,不需要頻繁寫入,所以QLC SSD寫入壽命短的特性,在這裡不但不會成為問題,反而可藉由超大容量密度、低單位容量成本,以及低單位功耗,在空間與電力消耗方面取得極大的利益。

冷儲存應用:SSD vs.硬碟

目前的長期歸檔保存等冷儲存應用,是以使用低成本大容量硬碟為主,這也是機械式硬碟相對於SSD仍能保持優勢的領域,不過待數十TB以至100TB等級的超大容量SSD上市後,可望一舉推翻硬碟在這領域的統治地位。

冷儲存應用最重要的考量因素是成本,除了儲存裝置本身的成本外,還包括建置與維持這些儲存裝置所需的空間與供電成本。

就單位容量成本來說,即使是3D NAND或QLC SSD,也未必能比機械式硬碟便宜很多,但可透過更高的儲存密度與更低的功耗,大幅降低用戶的整體持有成本。

以儲存裝置的儲存密度而言,目前機械式硬碟最高只達到每立方吋0.58TB的程度,幾年後或許可以成長到每立方吋1~2TB。但SSD目前就有每立方吋2.5TB的儲存密度,三星與華為都已展出儲存密度達到每立方吋5TB的原型產品,就是前述Flash Memory Summit 2016中展出的產品。而藉由QLC技術的幫助,還可望讓SSD的儲存密度提高到每立方吋15TB等級,相當於機械式硬碟的5~10倍。

換句話說,若改用這類超大容量SSD,資料中心只需1/5~1/10的空間,就能提供同等的儲存容量。

比起節省空間,SSD對於縮減資料中心營運成本更大的效益,是在節省電力方面。目前機械式硬碟的功耗水準,大約是待機時1.8~2(TB/瓦),存取作業時1.1~1.2(TB/瓦)。但目前的15.3TB SSD功耗表現能達到待機3.4(TB/瓦),存取作業時1.4(TB/瓦),已明顯勝過硬碟,新一代SSD還可望達到2~4(TB/瓦)的水準,平均維持每TB容量所需消耗的電力,可比硬碟節省一半以上。

對於應用了數以萬臺或數十萬臺硬碟/SSD的資料中心來說,新一代超大容量SSD更小的空間占用,與更低的功耗需求,將能帶來極為可觀的成本節省,可望讓SSD在高性能應用領域之外,在大量儲存的冷儲存應用領域也取代傳統硬碟。因此當應用了3D NAND與QLC技術的超大容量SSD普及之日,或許便是資料中心全面SSD化之日。

 


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