闪存技术发展趋势及在数据中心的应用

□ 文 孙翠锋 王祎晨

一、传统存储技术发展面临瓶颈

到PB级出货容量的就有数百例，存储集群容量已经达到EB级。从存储设备的读写性能来看，某些核心应用已经要求存储设备支持百万级的IOPS（每秒读写次数）和TB级带宽。

在新的发展需求下，传统存储技术HDD存在的局限性决定了它已经无法胜任，学术界与产业界开始将目光转向存储密度高、容量大、访问速度快的新型存储技术，而现阶段应用最广的当属闪存存储技术。进入2010年以来，闪存技术凭借快速读写的优势逐渐扩大市场，年出货量增幅稳定在30%左右并仍有上升之势。

长期以来，机械硬盘（HDD）一直作为数据中心主要的存储设备存在，在企业存储市场独占鳌头。机械硬盘内部包括一至数片高速转动的磁盘，其存取速度的快慢取决于盘片的旋转速度，但是旋转速度的提高会带来发热、磨损等诸多问题，在现有机械技术上想要大幅提高机械硬盘的转速已经十分困难，因此机械硬盘读写速度的提升必然面临天花板，很难再获得较大的飞跃。

随着人工智能、物联网、工业互联网、5G等新一代信息技术迅猛发展，数据中心在短时间内要处理和存储的数据体量从TB向PB、EB、ZB发展，对存储设备的读写技术提出了更高要求。国际数据公司（IDC）公布的2019年上半年《中国企业级存储系统市场调查数据报告》数据显示，2019年上半年中国存储市场出货量66519套，其中单套存储达

二、闪存存储技术发展趋势

2.1 闪存存储技术概况

与H D D硬盘相比，闪存（flash memory）具有传输速率高、延迟低、能耗低、噪声低、抗震等优良特性。固态硬盘（SSD）是目前闪存存储的最主要形式，主要由两大模块组成：主控和闪存颗粒。当下主流的闪存颗粒主要是NAND FLASH芯片类存储介质，它具有高密度、成本低的优势。SSD的容量主要就取决于闪存颗粒，而闪存颗粒是由晶体管组成的，晶体管越小，闪存的密度就越高，相对应的SSD的容量就越大。可以从多个维度对SSD进行分类：

（一）从SSD的接口类型进行区分，目前市场上的企业级SSD主要包括SATA/SAS SSD、PCIe SSD等类型。在实际使用中，SATA SSD的数据交换速率在500Mbit/s到600Mbit/s之间，对比之下PCIe SSD具有更高的性能。在PCIe SSD中，传输速率可以在1.5Gbit/s到3Gbit/s的范围内移动。

（二）从SSD的协议类型进行区分，SSD主要有AHCI协议和NVMe协议两种传输协议，采用NVMe协议的SSD，其读写速度要远远高于采用AHCI协议的SSD的读写速度。

（三）从生产工艺区分，SSD包括2D NAND SSD和3D NAND SSD。目前，最先进的2D闪存颗粒工艺是20nm，再往更小体积的晶体管发展，过小的晶体管体积和过大的晶体管数量，会降低闪存的稳定性与可靠性，不利于闪存技术的长远发展。因此，全球各大主流闪存厂商纷纷发力3D晶体管研发，为闪存颗粒技术带来了重大突破，彻底解决了因制程极限而无法提高闪存单位存储容量的问题，闪存成品也从2D NAND SSD升级至 3D NAND SSD，同时成本也大大降低。随着技术的不断进步，3D闪存堆叠高度从30-40层，逐步发展到目前主流的64层甚至更多，从而可以实现更高的存储密度和容量。

表1 SSD硬盘分类

根据上述介绍，表1给出了SSD硬盘从不同角度的分类情况。

2.2 国内外闪存技术差距对比

从SSD的两大核心部件（主控和闪存颗粒）的主流厂商看，在闪存颗粒方面，这些厂商拥有世界上绝大多数的产能。从闪存成品来看，目前闪存成品包括全闪存和混合闪存两类。根据国际数据公司（IDC）发布的2019Q4《中国企业级外部存储市场季度跟踪报告》，2019年中国全闪存存储的出货量实现了58.6%的大幅度增长，远远高于整体存储市场16.8%的增长率。

从国内外厂商实力对比来看，国内SSD产品在产品设计、性能、规格、可靠性等方面与国外品牌相比均有同等竞争力。目前国内外的主要SSD厂家几乎都能在相同时间发布相同技术平台的SSD产品。但国内厂商在存储介质NAND颗粒生产方面与国外领先厂商相比仍然存在较大的差距。

表2是某国内企业SSD盘和两家国际领先企业盘片的典型规格对比，可以看出国内企业成品SSD产品与国际领先企业成品SSD产品在性能、可靠性上并驾齐驱，在某些指标上甚至表现更加优异。

表2 国内外主流企业闪存产品对比

2.3 闪存技术发展趋势

从存储技术本身的角度来看，存储技术的演进有两条主路线：一个是存储介质的技术演进，另外一条路线是传输协议的演进。存储介质的演进可以大幅度的提高存储设备的性能，而存储协议的进步可以辅助新型存储设备达到其最佳性能。SSD硬盘从这两条路线来看分别有如下发展趋势：

（一）从SSD存储介质来看，现在业界关注的重点在于增加其存储密度，NAND存储介质将往更多层3D NAND发展，以降低每GB的成本。目前主流企业级SSD都采用3D NAND介质，并以64层为主流，同时96层也已经出现商用产品。业界预计到2021年3D NAND闪存颗粒可以发展到140层以上，是目前主流64层的两倍还多。

图1 2018年11月-2019年4月512Gb TLC闪存颗粒价格走势（来源：中国闪存市场）

表3给出了3D NAND颗粒演进路径。除了NAND存储介质向更多层方向发展之外，可能在未来的5年内3D NAND也将达到工艺瓶颈，届时将会有替代NAND Flash的主存介质出现，其中有学者认为PCM（Phase Change Memory）相变存储或将成为下一代主流存储技术。

（二）从SSD协议和接口方向看，NVMe PCIe SSD会是SSD后续发展的重点方向。这意味着PCIe SSD在数据中心中逐渐取代SATA/SAS SSD成为SSD的主流接口；NVMe协议则有望取代AHCI协议逐步成为SSD主流协议。根据国际数据公司（IDC）数据，PCIe SSD年复合增长率CAGR高达69%，SATA SSD则呈逐年下降趋势（年复合增长率为-16%），在2019年底企业级PCIe SSD出货量超过SATA SSD。

表3 3D NAND颗粒演进路径（来源：应用材料公司）

另外，从价格的角度来看，随着技术的发展和供求关系的变化，特别是3D NAND闪存颗粒量产，NAND 闪存颗粒每GB 成本呈下降趋势，且企业级NAND SSD成品价格也快速向消费级NAND SSD 价格靠拢。未来几年，预计企业级SSD产品整体价格呈下降趋势。即便是在每GB成本相对较高的全闪存市场，价格也在逐年降低，闪存容量也越来越大。图1显示了2018年11月至2019年4月半年来512Gb TLC闪存颗粒价格走势情况，可以看出闪存颗粒价格下跌较快，季度跌幅达两位数规模。此后2019年下半年至2020年11月，512GB TLC闪存颗粒价格略有回升并基本保持平稳，在4-4.4美元之间窄幅震荡。

三、闪存技术在数据中心中的应用

由于固态硬盘SSD的性能优势突出且成本持续降低，企业级SSD已广泛应用于各行各业的业务应用中，且在企业硬盘中的占有率正变得越来越大。而在数据中心领域，SSD特别适合应用在如下应用场景：

（一）大数据分析——云计算和大数据带来数据的海量存储和处理需求，SSD特别适合用于海量数据和超大规模负载的存储与处理，可以为其提供卓越的存储容量和数据访问性能。

（二）高并发应用——互联网行业很多应用如电子商务、社交等具有高并发性特征，需要极快的读取能力以提供愉悦的用户体验，而SSD的优势正在于此。

（三）媒体流——捕获和传送电影、音乐和视频监控等富媒体内容需要很高的数据访问和传输速率，随后还需要进行快速分析并提供即时查看，也非常适合采用SSD。

因此，在数据中心从传统IT架构演进到公有云和私有云的过程中，SSD得到了大面积使用。目前除了对性能与时延不敏感的较冷数据的存储外，SSD已经在逐步替代传统HDD应用于绝大部分数据中心应用场景，未来有望取代HDD全面引领数据中心硬盘市场。可以预见，SSD并不是数据中心存储技术的终点，而只能作为一种中间解决方案。PCM存储、DRAM存储等新型存储技术延迟更低、存储性能更强、寿命更长，或将成为下一代数据中心的主流存储技术。

四、结束语

总体来看，5G、人工智能、工业互联网、物联网、虚拟/增强现实等新一代信息技术和业务形态，带来数据爆炸式增长和高并发、低时延的数据访问处理需求，对数据中心存储设备读写性能、可靠性、可维护性等诸多方面提出更高的要求，传统HDD存储技术已经无法满足新技术新业务的发展需要，促使SSD技术在数据中心中得到大规模应用。同时，随着3D闪存颗粒技术向更高的层数迈进，SSD的容量大幅增加且成本不断下调，未来数年内SSD技术将会是数据中心存储设备和技术的主流形态直至新的主存介质及技术出现。■