在語(yǔ)言大模型（LLM）、推理大模型（如DeepSeek）等AI應(yīng)用爆火的當(dāng)下，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)速度、模型訓(xùn)練與推理效率等相關(guān)話題也逐步升溫，SSD在其中扮演著不可或缺的角色。跟隨本欄目，快速了解SSD存儲(chǔ)正在進(jìn)行著哪些變革。

上期我們對(duì)QLC SSD、TLC SSD以及HDD分別進(jìn)行了優(yōu)勢(shì)對(duì)比，并得出了成本分析。本期將重點(diǎn)介紹QLC SSD在設(shè)計(jì)上存在的諸多挑戰(zhàn)及解決之道。

更大的內(nèi)部扇區(qū)尺寸

從硬件設(shè)計(jì)及成本上考慮，高密度QLC SSD存儲(chǔ)容量增加時(shí)，其配置的DRAM容量通常不變，這意味著盤(pán)內(nèi)單位扇區(qū)（Indirect Unit）會(huì)變大。

例如，標(biāo)準(zhǔn)的4TB TLC 4KB扇區(qū)SSD需要配置4GB DRAM來(lái)保存L2P表。對(duì)于64TB QLC SSD若其DRAM的配置容量保持不變，則必須使用64KB扇區(qū)。此時(shí)如果執(zhí)行一個(gè)4KB的隨機(jī)寫(xiě)IO，則需要執(zhí)行“讀-改-寫(xiě)”的過(guò)程，這將產(chǎn)生16倍的寫(xiě)放大。而TLC SSD的4KB隨機(jī)寫(xiě)則無(wú)此問(wèn)題。

因此，盡管QLC SSD大尺寸連續(xù)寫(xiě)性能與TLC SSD持平，但是其4KB隨機(jī)寫(xiě)性能遠(yuǎn)低于TLC SSD，根源在于其內(nèi)部扇區(qū)更大。

在操作系統(tǒng)下發(fā)給SSD盤(pán)的讀寫(xiě)請(qǐng)求中，尺寸小于4KB的請(qǐng)求較為少見(jiàn)，而實(shí)際運(yùn)行中4KB的讀寫(xiě)請(qǐng)求數(shù)量卻不少，主要源于以下幾個(gè)方面：

l 塊設(shè)備接口的邏輯扇區(qū)（LBA）尺寸是512B或者4KB；

l 主流操作系統(tǒng)的內(nèi)存頁(yè)面的尺寸設(shè)定為4KB；

l 文件系統(tǒng)的空間分配單位通常不小于4KB。

針對(duì)這些問(wèn)題，操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)正在積極修改，以適應(yīng)更大的SSD內(nèi)部扇區(qū)尺寸，隨著時(shí)間的推移，技術(shù)將逐步演進(jìn)成熟，更好地支撐大型內(nèi)部扇區(qū)。

另外，當(dāng)前的DWPD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是基于JEDEC JESD218制定的，采用4KB寫(xiě)負(fù)載進(jìn)行評(píng)估。雖然4KB寫(xiě)負(fù)載并不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種工作負(fù)載，但是DWPD仍然是評(píng)估SSD性能的重要指標(biāo)，因而必須堅(jiān)持使用統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到QLC SSD的盤(pán)內(nèi)扇區(qū)較大的特性，在這一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，DWPD測(cè)試結(jié)果通常會(huì)顯得較為遜色。

解決此類現(xiàn)象的思路包括對(duì)DWPD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，使用更加適合QLC SSD特性的寫(xiě)負(fù)載進(jìn)行評(píng)估，或者針對(duì)QLC SSD制定專項(xiàng)的測(cè)試規(guī)范，結(jié)合其特有的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)和寫(xiě)入機(jī)制，以便更準(zhǔn)確地反映QLC SSD在不同使用場(chǎng)景下的表現(xiàn)。行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化組織也能盡早推動(dòng)，形成能夠覆蓋不同NAND類型的綜合性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以體現(xiàn)更公平的性能評(píng)估。

布局和堆疊

目前大容量的SSD普遍采用TLC或QLC NAND，一般會(huì)采用16~32顆NAND FLASH顆粒。顆粒數(shù)量的增加會(huì)帶來(lái)整盤(pán)的器件布局、PCB堆疊設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

一般企業(yè)級(jí)的SSD，主要器件包括1顆SoC，5-10顆DDR（含ECC），多顆NAND FLASH顆粒，備電電容等。要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，對(duì)PCB的布局密度提出了更高的要求。

表1、常見(jiàn)企業(yè)級(jí)SSD硬件形態(tài)

在極端的場(chǎng)景下，例如9顆DDR+32顆NAND FLASH，單層PCB已經(jīng)無(wú)法放下， 此時(shí)就需要用兩層或者更多層PCB堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)，PCB通過(guò)柔性PCB或者接插件鏈接。比如憶聯(lián) UH610 SSD，采用了高密布局和兩層PCB堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1、憶聯(lián)UH610采用柔性PCB

此外，大容量SSD的NAND顆粒一般采用ODP或HDP的封裝，也就是一個(gè)顆粒（package）會(huì)封裝8個(gè)或者16個(gè)Die。對(duì)于HDP來(lái)說(shuō)，芯片的高度就會(huì)稍高于采用ODP、QDP等Die數(shù)較少的封裝形式，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的堆疊設(shè)計(jì)。

功耗和散熱

對(duì)于單個(gè)SSD來(lái)說(shuō)，雖然最大功耗的上限是固定的，但是由于降額的要求，最大功耗場(chǎng)景在一般的業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中很難出現(xiàn)，我們需要更多關(guān)注的是業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的“典型功耗”。

表2、各硬件形態(tài)SSD最大功耗

一方面，受限于供電、散熱和SI，即使是大容量的SSD，其最大性能仍略低于普通容量的SSD。但在典型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，兩者可達(dá)到的性能是基本一致的。SoC的功耗主要取決于性能，因此對(duì)于某一款具體的SoC而言，相同業(yè)務(wù)壓力下的功耗，可以認(rèn)為是基本不變的。

另一方面，隨著SSD容量的增加，采用的介質(zhì)（NAND FLASH）不論是Die的數(shù)量，還是單Die的容量，均會(huì)增加。采用4KB FTL（Flash Translation Layer）粒度的標(biāo)準(zhǔn)SSD，為了支撐更大的物理容量，F(xiàn)TL表項(xiàng)數(shù)量也會(huì)隨容量成比例增加，帶來(lái)DDR顆粒的容量或數(shù)量增加。NAND FLASH和DDR顆粒的增加，不論是數(shù)量，還是總的Die面積（即規(guī)模）增加，都會(huì)使漏電流隨之變大，進(jìn)而導(dǎo)致SSD靜態(tài)功耗增加。因此整盤(pán)的功耗會(huì)隨著容量增加而增大。

圖2、2TB和16TB SSD 14G帶寬順序讀功耗分布

從單個(gè)SSD的角度來(lái)看，布局密度增加以及PCB的堆疊設(shè)計(jì)，增加了SSD的風(fēng)阻，帶來(lái)了更高的風(fēng)壓，風(fēng)量就會(huì)降低，用于熱交換的空氣變少，導(dǎo)致SSD溫度升高。

圖３、阻力越大，風(fēng)量越小

SSD上的器件（NAND、DDR等）功耗增加，會(huì)使流經(jīng)SoC的空氣，被更多的加熱；外殼殼體也會(huì)被加熱到更高的溫度，也會(huì)使SSD溫度升高。

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不論是服務(wù)器還是專用的存儲(chǔ)設(shè)備，散熱都需要滿足SSD的最大功耗的要求。但是如前面分析，我們更應(yīng)該關(guān)注“典型功耗”。大容量SSD的典型功耗增加，意味著同樣業(yè)務(wù)性能下，需要更高的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或者液冷工質(zhì)流速，提供更多的風(fēng)量或流量散熱。

綜上所述，QLC SSD在逐漸嶄露頭角的同時(shí)，也在不斷攻克內(nèi)部扇區(qū)尺寸、布局與堆疊、功耗與散熱等設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，這些創(chuàng)新也為QLC SSD的進(jìn)一步應(yīng)用鋪平了道路。

隨著市場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)解決方案需求的不斷演變，QLC SSD將會(huì)在哪些業(yè)務(wù)場(chǎng)景中取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，又將如何推動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展呢？敬請(qǐng)持續(xù)關(guān)注本系列文章。

審核編輯 黃宇