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全球正在進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，中國的“十四五”規(guī)劃也重點(diǎn)提到發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，作為第五種生產(chǎn)要素的數(shù)據(jù)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，各種大、中、小型數(shù)據(jù)中心業(yè)已成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施。在這項(xiàng)龐大的新基建工程中，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)將不可避免地成為基石技術(shù)。 隨著存儲需求的快速增長，QLC等大容量、高密度的新型閃存芯片逐漸投入應(yīng)用。然而QLC等新型閃存芯片的錯誤率更高，在企業(yè)級SSD對數(shù)據(jù)安全性和可靠性要求更高的情況下，SSD主控芯片的ECC(糾錯碼Error Correcting Code)技術(shù)越來越成為企業(yè)級SSD的核心技術(shù)和性能保障。 近日，云岫資本合伙人兼首席技術(shù)官趙占祥訪談了全球領(lǐng)先的企業(yè)級SSD主控芯片公司英韌科技副總裁陳杰，共同探討企業(yè)級SSD對ECC的新要求，核心觀點(diǎn)整理如下： 企業(yè)級SSD市場正高速增長伴隨5G、大數(shù)據(jù)、 AI及云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，大量的新商業(yè)應(yīng)用將催生出對邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的海量需求。據(jù)IDC預(yù)測，全球數(shù)據(jù)總量預(yù)計(jì)2020年達(dá)到44ZB，5年年均復(fù)合增長率高達(dá)41.0%，其中超過50%的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)中心；2025年，全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到175ZB，5年年均復(fù)合增長率31.8%，而數(shù)據(jù)中心存儲量占比將超過70%。企業(yè)級SSD作為數(shù)據(jù)中心越來越重要的存儲介質(zhì)，2020年出貨量將達(dá)到3560萬個，平均容量達(dá)到2.7TB，出貨總?cè)萘枯^2019年增長近30%。 下圖是近年來中國閃存市場發(fā)布的企業(yè)級SSD平均容量和出貨量增長趨勢。2020年，疫情帶來的在線辦公和網(wǎng)課需求加速了數(shù)據(jù)中心SSD的需求增長，因此，其實(shí)際增長高于預(yù)期。 QLC SSD在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用趨勢在控制成本的前提下，提升數(shù)據(jù)中心的容量、實(shí)時性等性能，是目前數(shù)據(jù)中心的主要需求。受需求驅(qū)動，數(shù)據(jù)中心使用QLC是大勢所趨。 首先，使用QLC SSD將為服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心帶來更低的讀延遲，使其更適用于實(shí)時性要求更高的數(shù)據(jù)讀取密集型應(yīng)用，如AI計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、金融數(shù)據(jù)實(shí)時分析和各種在線大數(shù)據(jù)信息挖掘等。 其次，QLC在海量數(shù)據(jù)中具有巨大的成本優(yōu)勢，因此相較于SLC\MLC\TLC，陳杰認(rèn)為QLC最有可能在數(shù)據(jù)中心有更大的應(yīng)用場景。QLC本身容量大、成本低，使用了QLC SSD之后，存儲密度更高，服務(wù)器集成度更高，這會極大節(jié)省數(shù)據(jù)中心面積，進(jìn)而節(jié)省運(yùn)營成本。 與此同時，世界各大主流NAND FLASH廠商，如美光、Intel、鎧俠和長江存儲積極致力于QLC的研發(fā)，并相繼發(fā)布了各自的QLC產(chǎn)品。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們普遍擔(dān)心的QLC擦寫壽命少正逐漸被改善和提高，比如從早期的500次擦寫提高到近年來的2000次擦寫。未來的NAND會有更多層，以及即將推出的PLC（i.e., 5-bit per cell）， 都會使得成本被進(jìn)一步降低，同時也將加速Q(mào)LC的應(yīng)用進(jìn)程。 當(dāng)然QLC也有缺點(diǎn)，它的寫延遲是12ms，非常長，目前的擦寫次數(shù)通常只能達(dá)到2000，另一個應(yīng)用中的較大問題是Data Retention，這些都需要通過主控技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 作為全球技術(shù)領(lǐng)先的SSD主控設(shè)計(jì)公司，英韌科技從2016年成立之初，就和美光、鎧俠在QLC方面開展合作。 基于特有的專利編解碼技術(shù)，英韌科技于2018年成功研發(fā)并全面啟用4K LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)Low-Density Parity-Check）糾錯技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于自主研發(fā)的消費(fèi)級和企業(yè)級主控芯片中（如Shasta+ 和 Rainier），極大地降低了系統(tǒng)UBER(不可糾錯誤碼率Uncorrectable Bit Error Rate），引領(lǐng)了糾錯編解碼技術(shù)在行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。 目前英韌的PCIe SSD各類主控芯片Shasta+及Rainier系列均支持4K LDPC，糾錯能力可以完全覆蓋QLC NAND。 4K LDPC牛在哪兒？隨著NAND Flash的制程越來越先進(jìn)、單個Cell里的bit數(shù)量不斷增加，數(shù)據(jù)錯誤率也隨之增長，因此市場對SSD主控的糾錯能力要求越來越高，糾錯技術(shù)已成為SSD主控廠商的核心技術(shù)能力。 目前的SSD主控芯片大都采用LDPC編碼來做ECC糾錯，但是受限于芯片面積等因素，主流量產(chǎn)的主控芯片主要采用2K LDPC編碼。 2018年，英韌科技推出了4K LDPC并在2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨。在同樣的碼率下（糾錯碼使用bit數(shù)量一樣），實(shí)測4K LDPC糾錯比2K方案降低UBER至少兩個數(shù)量級以上，大大提高糾錯性能。除此以外，英韌主控采用自主研發(fā)的LDPC專利算法，在解碼算法迭代的時候，實(shí)時動態(tài)更新并優(yōu)化解碼規(guī)則，因此糾錯能力比同類競爭對手方案提高30%。 在芯片中實(shí)現(xiàn)4K LDPC的難度很大，如果不做優(yōu)化，相當(dāng)于至少2個2K LDPC，因此對面積、功耗都有極大的挑戰(zhàn)和要求。英韌科技從芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)開始，就考慮到了這些問題，針對不同的功耗、復(fù)雜度和吞吐率等需求，研發(fā)了多種不同性能的LDPC解碼專利算法，同時利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，對各種解碼算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，使得這些算法硬件復(fù)雜度和在滿足各自的需求方面都達(dá)到最優(yōu)。最終實(shí)現(xiàn)功耗和面積達(dá)到現(xiàn)有條件下的極致優(yōu)化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2K LDPC的2倍。 無論當(dāng)下還是未來，SSD主控芯片廠商必須要有糾錯算法的自研能力，才能在主控設(shè)計(jì)中游刃有余。 英韌科技的LDPC糾錯碼核心完全自主可控，其糾錯技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面，其一是研發(fā)設(shè)計(jì)LDPC糾錯碼。 設(shè)計(jì)并構(gòu)造性能優(yōu)異的LDPC校驗(yàn)矩陣是至關(guān)重要的一步，因?yàn)長DPC校驗(yàn)矩陣的設(shè)計(jì)構(gòu)造往往決定了LDPC糾錯碼的糾錯性能和編解碼算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，如果校驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)考慮不周到或設(shè)計(jì)不好，僅僅靠解碼算法很難將錯誤平層（Error Floor）降低到不影響系統(tǒng)性能的水平，而且會增加LDPC編解碼算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，帶來芯片功耗的增加和成本的上升以及系統(tǒng)性能的下降。 另一方面是解碼算法，隨著讀寫次數(shù)增加，閃存顆粒錯誤率會逐漸上升。英韌科技的解碼算法可以自適應(yīng)調(diào)整解碼算法的流程，在最低功耗、最低延時的情況下做到解碼成功。 基于以上兩方面的技術(shù)優(yōu)勢，英韌主控的糾錯于設(shè)計(jì)之初就從底層原理出發(fā)，對矩陣構(gòu)造和編解碼算法都有許多精妙的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了很多突破。最終糾錯能力極強(qiáng)，發(fā)生糾錯失敗從而觸發(fā)重讀的概率很小，同時糾錯算法消耗的數(shù)據(jù)讀取延遲短、功耗低。比如從主機(jī)發(fā)讀命令到讀取數(shù)據(jù)，主控的時延只需要10微秒！ 目前市場上有多家閃存廠商，每家也有很多型號的閃存芯片，每年也推出最新的產(chǎn)品，這就對ECC糾錯提出了一個更高難度的任務(wù)：能否支持各種各樣閃存芯片和未來可能出現(xiàn)的新閃存芯片？如果對閃存芯片支持不好，就將給客戶在選擇采購閃存芯片時造成了很多限制。 英韌主控的ECC引擎做成了指令集的形式，可以通過軟件程序動態(tài)配置，更通用化，能夠靈活適配各種閃存顆粒。同樣的NAND在不同生命周期的時候，還可以使用不同的LDPC糾錯碼。比如可以根據(jù)壽命改變碼長，早期放少一些，后期放多一些。這樣使得SSD系統(tǒng)在犧牲少許容量的情況下延長使用壽命，為更高效使用SSD系統(tǒng)提供了一個可能，讓接近使用壽命的SSD系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)揮余熱，為使用SSD系統(tǒng)的客戶提供了一種新的降低成本避免資源浪費(fèi)的解決方案。 英韌科技持續(xù)不斷地對LDPC糾錯碼進(jìn)行研究，對現(xiàn)有的SSD控制器中的LDPC編解碼模塊，設(shè)計(jì)了用于未來升級的接口協(xié)議。當(dāng)一個新的性能更好的LDPC碼產(chǎn)生出來，可以通過該升級接口協(xié)議對現(xiàn)有的SSD控制器的LDPC編解碼模塊進(jìn)行升級，使得用戶能夠及時享受到英韌的最新研究成果，延長客戶產(chǎn)品的使用周期和壽命。 每一個ECC引擎都相當(dāng)于一個小CPU，幾個ECC引擎就相當(dāng)于多核并行處理器系統(tǒng)。ECC引擎的擴(kuò)展性非常重要，因?yàn)镾SD主控的性能不斷提升，要求每個ECC核心的性能很強(qiáng)，同時支持多核擴(kuò)展。英韌ECC單核糾錯速度可以到32Gbps。即使是PCIe Gen 5的主控，也只需要增加ECC核心，而不用太大改動，芯片研發(fā)速度因此可以大大加快。 然而，ECC引擎多了之后，功耗也會隨之升高。英韌科技PCIe Gen4主控Rainier主要通過以下幾種方式，實(shí)現(xiàn)了目前市場上PCIe主控芯片的最強(qiáng)性能和最低功耗：
閃存芯片未來將如何演進(jìn)？ |
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