你的SSD能上網(wǎng)從FMS 2019一覽閃存新技術(shù)發(fā)展趨勢

張平

近年來閃存相關(guān)技術(shù)的發(fā)展速度非常快，容量越來越大、速度越來越快、價格更低的閃存相關(guān)產(chǎn)品接連上市，讓普通消費者也能直觀感受到閃存技術(shù)進步所帶來的更好數(shù)據(jù)存儲體驗.展望未來技術(shù)，閃存還有哪些可以提升的空間呢？在FMS 2019閃存技術(shù)峰會中，各路廠商就為我們展示了不少新技術(shù)。下面就讓我們挑選其中的重點，一起去展望未來存儲技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2019年8月16日，一年一度的“Flash Memory Summit”，也就是FMS2019閃存技術(shù)峰會在美國硅谷的圣克拉拉如期召開。在這場會議上，東芝、三星、SK海力士等業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)都展示了自己的新技術(shù)或者新產(chǎn)品。不過，和其他一些展會各大廠商輪流唱戲的熱鬧場面不同的是，F(xiàn)MS展會相對來說顯得更為小眾和專業(yè)一些。其中三星、SK海力士等主要以產(chǎn)品展示為主，技術(shù)提及不多。美光在展會上也只是以展示為主.沒有專場報告和技術(shù)發(fā)布會。最終的重頭戲則交給了東芝，作為閃存芯片的發(fā)明者，東芝帶來了大量新技術(shù)，并且和技術(shù)伙伴一起進行了技術(shù)發(fā)布和研討。因此，本文介紹的內(nèi)容將以東芝發(fā)布的相應(yīng)技術(shù)為主。值得一提的是，本次會議開設(shè)有中國專場，這也是FMS連續(xù)七屆召開中國專場會議，顯示了中國在這個領(lǐng)域的技術(shù)進步。

XL-Flash：東芝的全新超低延遲3D SLC

SLC NAND的特點是高性能、長壽命、價格昂貴和相對較低的容量。也正是由于這些特點，SLC產(chǎn)品在民用市場幾乎絕跡，它更適合對成本不那么敏感的企業(yè)級用戶。大量企業(yè)級用戶看中了SLC的高性能和長壽命，往往使用在對數(shù)據(jù)安全要求較高，或是對性能有比較明確要求的場合。不過，東芝認為5LC的性能和結(jié)構(gòu)依舊存在大量改進空間，因此提出了低延遲的3DSLC，也就是xL-Flash技術(shù)。

作為低延遲存儲器技術(shù)的一種，英特爾之前推出的3D Xpoint已經(jīng)成功地在企業(yè)級市場站穩(wěn)了腳跟。3Dxpoint的特點在于理論最低數(shù)據(jù)讀寫延遲僅比DRAM高3倍左右，最低可達0.35微秒（DRAM大約在0.1微秒以內(nèi)），和目前NAND產(chǎn)品大約100微秒的延遲相比，大約低了2-3個數(shù)量級。不過，英特爾的3D Xpoint采用的是全新存儲架構(gòu)和獨特的存儲體系，和NAND完全不同，技術(shù)研發(fā)難度比較大，成本投入和生產(chǎn)難度也比較高。

相比之下，東芝的xL-Flash技術(shù)則是完全基于現(xiàn)有的NAND技術(shù)衍生、改進而來，因此技術(shù)難度沒有那么高。同樣的，性能也只能基于NAND產(chǎn)品進行提升。根據(jù)東芝提供的資料顯示，XL-Flash的延遲相比3DTLC產(chǎn)品大約降低了10倍，其主要用途依舊是在TLC NAND和DRAM之間作為緩存使用，畢竟這兩者的讀取延遲大約差了三個數(shù)量級。

那么，XL-Flash是如何做到延遲大幅度降低的呢？實際上，XL-Flash采用的是3D SLC技術(shù)，也就是采用3D堆疊技術(shù)生產(chǎn)的SLC顆粒。由于SLC本身的延遲和性能要比TLC高很多，東芝也給予了大量的技術(shù)優(yōu)化，比如頁容量改為4KB而非傳統(tǒng)的16KB，這樣可以降低讀寫延遲并提高隨機效能;采用新的16-plane面結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的2-plane面結(jié)構(gòu)，可以增強并發(fā)讀寫效能從而降低延遲等。各種新技術(shù)的加持以及SLC顆粒固有的高性能，使得東芝的XL-Flash達到了比傳統(tǒng)3D TLC NAND更好的性能。

和XL-Flash類似的產(chǎn)品還有之前三星發(fā)布的Z-NAND，其技術(shù)實現(xiàn)方式同樣是采用SLC替代目前常見的TLC，從而實現(xiàn)性能提升。三星已經(jīng)發(fā)布了48層堆疊的Z-NAND產(chǎn)品，實際測試延遲大約在23微秒左右，大約是傳統(tǒng)TLC SSD的1/4。東芝的XL-Flash目前暫時沒有公布具體性能數(shù)據(jù)，不過從架構(gòu)角度來看，應(yīng)該和三星的產(chǎn)品在伯仲之間。

具體到產(chǎn)品上，第一代東芝XL-Flash的單芯片容量為128Gbit，由于采用的是SLC技術(shù)，因此單顆容量較低也是可以理解的。另外，東芝還提供2個芯片、4個芯片或者8個芯片堆疊封裝的選擇，這樣可以大幅度提高單封裝芯片的容量。橫向比較的話，東芝XL-Flash的存儲密度大約只有96層3D TLC NAND的一半，這應(yīng)該是高性能和低延遲的代價吧。

XFMEXpress：尺寸更小、速度更快

尺寸小和速度快，在存儲設(shè)備上往往不可兼得。隨著技術(shù)的進步，人們也在逐漸向這方面努力。以我們常見的SD卡為例，這種典型的小尺寸存儲設(shè)備讀寫速度一直比較慢，不太可能和SSD這類可采用PCIe規(guī)范的高速設(shè)備比肩。不過，近期新的SD卡讀寫規(guī)范開始積極引入PCIe總線，用于大幅度提升數(shù)據(jù)讀取速度。這類產(chǎn)品可以看作從接口、設(shè)備端向高速讀取發(fā)起努力，并有望侵占內(nèi)置高速存儲設(shè)備的生存空間。

無獨有偶，傳統(tǒng)的內(nèi)置高速存儲設(shè)備也看到了小尺寸化和外置的優(yōu)勢，也在向這方面努力發(fā)展。在FMS 2019上，東芝推出了全新的XFMExpress，其特點是設(shè)備尺寸大幅度降低，但同時保持了傳統(tǒng)PCIe SSD的規(guī)格和特性。

XFMExpress的整體尺寸只有22.2mmx17.75mmx2.2mm，其中存儲卡的尺寸只有18mmx14mmx1.4mm，遠小于M.2 2230接口的SSD，也小于支持PCIe x4規(guī)范、采用BGA接口設(shè)計的SSD產(chǎn)品。為了支持PCIe規(guī)范和更多的讀取通道，XFMExpress在觸點上設(shè)計非常獨特，它不但在傳統(tǒng)的讀取卡一端設(shè)計了兩排觸點，還在卡身中央部分設(shè)計了一排觸點。更多的觸點能夠支持更多的通道數(shù)量，因此XFMExpress能夠支持PCIe 3.0和PCIe 4.0規(guī)范的雙通道和四通道方案，最高帶寬可達8GB/s。另外，其他的諸如NVMe等技術(shù)都可以支持，并且兼容各類3D封裝的緩存，也可以兼容多層堆疊封裝緩存。

值得一提的是，由于XFMExpress本身金手指觸點較多，并且沒有明確提及支持熱插拔等技術(shù)（熱插拔的處理可能和SSD熱插拔處理相同，需要系統(tǒng)允許并清理緩存數(shù)據(jù)），因此東芝在插接口設(shè)計上采用了卡套式方案，也就是存儲卡先插入卡套后，經(jīng)由卡套的卡子固定并牢固壓接在底座上，這保證了XFHExpress在持續(xù)使用中的穩(wěn)定和安全。另外，由于高速SSD的讀寫熱量較高，尺寸越小散熱問題越難以保證，東芝在設(shè)計中也考慮到了這一點，并給出了一些方案，比如XFMExpress的金屬卡套可以輔助散熱，底座和卡本身也可以承受較高溫度，最后則是XFMExpress支持外部散熱器設(shè)計，能夠以輔助散熱的方式幫助存儲卡穩(wěn)定運行。

目前東芝展示的XFMExpress產(chǎn)品速度大約在636MB/s左右，作為對比的采用BG4的產(chǎn)品速度為642MB/s，速度基本相當(dāng)。其他的諸如功耗、每瓦特速度、溫度等方面都基本相同。對于產(chǎn)品用途，東芝表示，XFMExpress速度更快、體積更小且可插拔的特性使其應(yīng)用范圍更廣闊、靈活?？梢允褂迷诠P記本電腦、嵌入式設(shè)備、游戲設(shè)備、車載設(shè)備等場合，應(yīng)用空間非常廣闊。

可以上網(wǎng)的SSD：直接上網(wǎng)、更自主

對一般服務(wù)器用戶來說，如果要對SSD的數(shù)據(jù)進行操作，要么使用一個帶處理器的服務(wù)器，或者將SSD通過PCIe交換器連接至附近的服務(wù)器，在采用類似NVMe-oF協(xié)議進行讀寫，無論哪種方式都非常麻煩，并且離不開服務(wù)器本身的支持。去年在FMS 2018上，MarveⅡ就展示了一款新的轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)NVMe到以太網(wǎng)的接口轉(zhuǎn)換，這樣一來，支持NVMe規(guī)范的SSD就可以直接上網(wǎng)，并且通過NVMeoF協(xié)議來訪問。這樣一來就可以省去相關(guān)PCIe轉(zhuǎn)換器和服務(wù)器本身的成本，頗為方便。

去年FMS上是MarveⅡ單獨展示，也許東芝看到了這項技術(shù)所蘊含的市場機會，于是和Marvell進行合作，在今年的FMS上，東芝就展示了采用Maryell技術(shù)、內(nèi)置Marvell 88SN2400轉(zhuǎn)換器，外表看起來和普通U.2或者U.3 SSD相同的，但是采用網(wǎng)線連接的存儲設(shè)備。這樣一來，SSD通過這樣的連接方式，直接結(jié)合專用的交換機產(chǎn)品就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸、存取了，不再需要服務(wù)器的支持，更方便省心。

東芝展示的可以上網(wǎng)的SSD，采用了東芝96層堆疊的3D TLC顆粒，緩存為128GB DDR4，SSD總?cè)萘繛?TB，擁有2個25Gbps的以太網(wǎng)接口。不過目前的產(chǎn)品采用的是SSD搭配外置轉(zhuǎn)換器的方式存在。MarveⅡ還在設(shè)計一款名為“88SS50000”的新的主控芯片，可以直接搭配SSD使用，直接實現(xiàn)NVMe-oF到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，不再需要外置轉(zhuǎn)換器，SSD可以直接搭配網(wǎng)絡(luò)接口出貨，更方便。當(dāng)然，從技術(shù)上來看，這款新的主控芯片只是將SSD內(nèi)部的PCIe控制器改換成以太網(wǎng)控制器，整體設(shè)計難度應(yīng)該不算太高。

東芝計劃在今年開始向商用用戶推廣這款產(chǎn)品，依靠其網(wǎng)絡(luò)連接的特性和不錯的性能，想必這款能上網(wǎng)的SSD能得到不少用戶的青睞。

PLC技術(shù)襲來：成本更低、速度更慢、容量更大

東芝在展會上的發(fā)布可謂精彩紛呈，既有采用高端SLC的高速產(chǎn)品，又有采用主流TLC的大容量產(chǎn)品。如果說這些產(chǎn)品還算“順理成章”，那么在TLC之后、QLC還沒到來之前，東芝又宣布了PLC的研發(fā)計劃，令人驚訝。

說起PLC，就不得不提及TLC、MLC等目前主流的SSD顆粒數(shù)據(jù)存儲方式。SSD顆粒存儲目前有SLC、MLC、TLC、QLC、PLC五種，這五種產(chǎn)品一次可以讀寫的數(shù)據(jù)數(shù)量分別是1bit、2bit、3bit、4bit和5bit，相對應(yīng)的NAND浮柵中電荷狀態(tài)數(shù)量分別有1、4、8、16、32這幾種?？雌饋硭坪踝x寫數(shù)量越多速度會越快，但實際上，由于電荷狀態(tài)增多，控制難度越來越高，并且過多的電荷狀態(tài)對NAND顆粒的壽命有比較大的影響。此外，由于電荷狀態(tài)多，數(shù)據(jù)讀取的時間也變得更長，速度也會更慢。在主控芯片設(shè)計上，PLC這樣的產(chǎn)品由于電荷狀態(tài)高達32種，因此對主動芯片也提出了更高的要求，周邊電路設(shè)計要求也會更高。

不過，相比TLC而言，PLC能夠在相同的面積、晶體管密度等條件下，大約提升66%的數(shù)據(jù)存儲密度，這才是東芝看中PLC的原因。因為一些用戶對數(shù)據(jù)存儲時的讀寫速度要求不高，但是對容量要求比較高，這也是PLC可能存在市場空間的原因。技術(shù)實現(xiàn)方面，東芝也表示，通過諸如NVMe協(xié)議中的ZN5分區(qū)命名空間以及專門的讀寫優(yōu)化、數(shù)據(jù)回收以及均衡摩擦設(shè)計等，PLC產(chǎn)品還是能夠保證使用的安全和穩(wěn)定的。另外，東芝也在開發(fā)混合分割式3D存儲工藝，可以混合PLC和QLC，盡可能高地提高數(shù)據(jù)存儲密度。

三星和SK海力士：堆得更高、容量更大

說完了東芝，再來看看其他家。在FMS 2019上，三星和SK海力士都展示了自家堆疊層數(shù)超過100層的高密度3D存儲芯片。三星宣稱自己的100層以上的NAND芯片擁有6.7億個硅通孔，比上代的9.3億個大幅度減少，這樣可以帶來更小的芯片體積。三星還給出了基于高密度堆疊技術(shù)的256Gbit TLC NAND的250GB SSD產(chǎn)品，采用的雙層堆棧設(shè)計。另外，三星還宣布將在一年以內(nèi)推出三層堆棧的芯片，這款產(chǎn)品的堆疊層數(shù)將超過300層，單顆容量大約為512Gbit。

除了三星外，SK海力士也展示了超過100層堆疊的產(chǎn)品。實際的芯片采用了128層堆疊并且在閃存單元下封裝了外圍電路，這樣可以進一步節(jié)省芯片的面積并縮小實際產(chǎn)品的體積。在封裝技術(shù)方面，SK海力士展示了采用8個裸片堆疊封裝、總?cè)萘繛?TB的存儲模塊，其厚度僅為1mm，尺寸也僅為11.5mmx13mm，幾乎和傳統(tǒng)的NAND芯片一樣大。

在市場行情方面，三星和海力士等企業(yè)都認為NAND市場將迎來復(fù)蘇。由于近期NAND市場產(chǎn)能高出市場需求不少，加之人們估計的一些大容量存儲設(shè)備對NAND的需求沒有顯著增加等原因，NAND市場目前處于明顯的供過于求狀態(tài)，價格更是一跌再跌。在這種情況下，三星堅持市場是有周期的，并且復(fù)蘇即將到來，但是對具體的時間無法給出詳細的信息。一些分析師也指出，NAND市場正在迎來拐點，比如今年第三季度的NAND價格出現(xiàn)了小幅度上漲趨勢，這可能是一個比較重要的信號。

中國技術(shù)專場：自主設(shè)計成為主流

FMS的中國專場也是非常重要的一個技術(shù)交流場合。今年國內(nèi)多家廠商在中國專場上展示了新的技術(shù)和產(chǎn)品。比如兆易創(chuàng)新展示了閃存在AIoT設(shè)備上的一些應(yīng)用，包括智能植入技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安全性和可靠性上有更好的表現(xiàn)。得一微電子展示了新的控制器設(shè)計理念。騰訊云展示了一些云存儲方面的配置和存儲介質(zhì)相關(guān)的新技術(shù)。華瀾微電子展示的全新的磁旋存儲器MRAM的研發(fā)進展。中科院的專家則帶來的是新的Resistive Random AccessMemory也就是阻變式存儲器的研發(fā)進展和實驗成果。

不過相比一些國際大廠的技術(shù)和產(chǎn)品推介而言，中國技術(shù)專場更為偏向設(shè)計和專業(yè)人員，因此資料不是很多。本刊也將在未來收集更多的資料后為大家?guī)碇袊夹g(shù)專場的技術(shù)介紹。

總的來看，本次FMS 2019上，業(yè)內(nèi)以東芝為代表的廠商還是帶來了不少新的技術(shù)和應(yīng)用，為我們展示了未來NAND存儲發(fā)展的方向和可能出現(xiàn)的應(yīng)用場合，尤其是以太網(wǎng)SSD、PLC產(chǎn)品以及更強大、層數(shù)更多的堆疊顆粒的生產(chǎn)，都頗為令人振奮。希望這些新技術(shù)和新產(chǎn)品能夠早日上市，使得人們的生活更加方便和多彩。