英特爾 QLC 3D NAND 數據存儲
NAND是什么
由于SSD固態硬盤的普及，NAND這個詞逐漸進入用戶們的視線。許多廠商都在產品宣傳中提到3D NAND顆粒等詞匯，對于普通用戶來講，完全不知道這個詞是什么意思，只是有一種不明覺厲的感覺，今天我們就來了解一下什么是NAND。
要了解NAND，首先得了解一下存儲顆粒的分類。最簡單的分類，就是易失性存儲和非易失性存儲，字面意思非常直觀，前者是斷電后其中數據會丟失，后者是斷電后仍可穩定保留數據。所以根據這樣的特性，易失性存儲通常用來制造內存條產品，非易失性存儲通常用來制造硬盤等產品。而NAND Flash就是在這樣的基礎上發展出來的。
首先閃存產品的出現，對于存儲行業是一種突破性的改革，將存儲產品的體積大幅縮小，能耗降低，性能提高，而且對比于過去的碟片類的存儲產品，運行更穩定，損壞率更低，可以說除了理想狀態下的使用壽命有所不如，價格方面偏貴之外，其他方面都是后來居上的狀態。
通過整合創新技術，英特爾? QLC 3D NAND 固態盤有助于降低成本，同時可提供 讀取密集型工作負載所需的可靠性和低延遲性能。
英特爾 QLC 3D NAND 固態盤帶來卓 越耐用性 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤依 賴對于可靠技術的多代改進，以 提供適當的耐用性。例如，作為 首代面向數據中心的英特爾 QLC NAND 產品，英特爾固態盤 D5- P4320 相比其它的 QLC NAND 固態盤，可提供高出多達 4 倍的耐用性。全新英特爾固態盤 D5- P5316 進一步增強了耐用性，相 比上一代英特爾 QLC NAND 固態 盤，將隨機寫入耐用性最高提升 了 5 倍。
QLC NAND 架構 四層單元（QLC）NAND 技術將密度增加到每單元 4 比特，相比 TLC NAND 可提供 多 33% 的每單元比特，因而能夠將數據容量擴展到大于單層單元（SLC）、多層單元 （MLC）和 TLC NAND 技術的水平。隨著密度增加，每 GB 成本會下降（見圖 1）。
NAND 固態盤的密度不斷增加

圖 1. PCIe 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤為每單元 4 比特，相比 TLC 固態盤可提供多 33% 的每單元比特，同時提供相當的順序讀 取性能。
固態盤和機械硬盤耐用性比較 機械硬盤耐用性主要受限于物理設計因素，例如硬盤里的大量 移動部件。部件逐漸磨損導致的故障會降低機械硬盤的性能或 使其無法使用。例如，振動或沖擊會導致磁頭未對準。由于耐 用性主要是一種物理限制，因此機械硬盤同樣會受到讀取和寫 入的影響。 反之，固態盤沒有移動部件，因此不存在機械磨損。對于固態 盤，耐用性會受到單元退化的影響，退化主要由寫入而非讀取 造成，可通過控制器固件中的各種緩解技術來減少退化。
NAND 固態盤的寫入磨損程度部分取決于盤上已有數據的狀態， 因為數據是按頁寫入、按塊擦除的。順序數據可高效寫入較新固 態盤的連續可用頁面。然而，當需要更新較小的數據塊時（如修 改文檔或數值），舊數據將讀入內存、被修改、然后重新寫入盤 上的新頁面。包含已棄用數據的舊頁面標記為無效。
當沒有可用頁面時，需要釋放那些 “無效” 頁面，以用于 “碎片整 理” 或 “磨損均衡” 的后臺進程。特定塊中的全部現有有效頁面必 須先復制到盤上的其他可用位置，確保原始塊僅包含無效的棄用 頁面。然后可以刪除原始塊以騰出供新數據寫入的空間。內部 NAND 管理進程（如磨損均衡）會導致寫入放大，即固態盤上 的所有內部寫入大于僅將新數據存入盤上所需的寫入。由于每次 寫入會造成單個 NAND 單元的細微退化，所以寫入放大是磨損 的主要因素。
內置處理有助于 NAND 固態盤將磨損均勻分散到整個盤中。需 要指出的是，寫入繁重的工作負載（尤其是隨機寫入）會導致 NAND 固態盤相比其他 IO 模式磨損更快，因為它們會導致更大 的寫入放大。
QLC NAND 固態盤為現代工作負載提供卓越耐用性 對于大多數現代工作負載部署，QLC NAND 固態盤可提供富余 的耐用性，因為：
? 英特爾 QLC NAND 的實際耐用性超出了傳統認知和理論限制。
? QLC NAND 固態盤具有更大的容量，能夠將磨損分散到更大 的區域。
? 大多數固態盤在使用的全程，只會消耗一小部分額定的固態盤 壽命。
實際耐用性與預期耐用性 英特爾固態盤 D5-P5316 證明，QLC NAND 固態盤可以提供行 業領先的耐用性水平。此外，QLC NAND 固態盤的真實耐用性 在多個方面超出了預期。通過固態盤驅動控制器將寫入均勻分布 到盤上，可以避免一些單元受到反復沖擊。大容量 QLC NAND 固態盤提供了更大的 “表面積” 來分配寫入，從而減少整體退化。 此外，對耐用性需求的認識與實際使用模式之間存在顯著差距， 2020 年 2 月 USENIX 大會上公布的一項大規模研究對此進行了 重點說明8 。
該研究報告指出，實際應用下的耐用性要求通常遠低 于企業的預期。作者表示：“基于我們的數據，我們預測并認為， 對于絕大多數企業用戶來說，轉向 QLC 在固態盤壽命上沒有風 險，因為 99% 的系統最多使用了其硬盤 15% 的額定壽命。” 大容量 QLC NAND 的壽命耐用性等于更小容量的 TLC NAND 固態盤耐用性通常按照每日固態盤寫入次數（DWPD）衡量， DWPD 可測量在保修壽命內磁盤每日可寫入的數據量。寫入 TB 數（TBW）或寫入 PB 數（PBW）也可用于表示耐用性，該指 標可衡量在規定壽命內可寫入磁盤的總數據量。磁盤的總耐用 性取決于其容量。例如，圖 2 所示為一個 8TB TLC 固態盤（1DWPD，5 年保修壽命），理論上可在 5 年內每天處理 8TB 的 數據寫入。但請注意，額定 DWPD 為 0.25 的 5 年保修期 32TB QLC NAND 固態盤不一定可達到理論性能，實際的總體耐用性 可能有所偏差。這是因為可寫入該固態盤的數據總量與較小的 TLC 磁盤相同（32TB 容量乘以 0.25 DWPD）。

圖 2. DWPD 和容量確定寫入總字節的示例。
此外，存儲管理人員可以通過留出額外的硬盤空間（在上述理論 示例中為 20%）來進一步提高有效耐用性。通過增加硬盤上的 保留區域，將能夠為有效的碎片整理和磨損均衡來留出更大的空 間，進而減少寫入放大。 對于 NAND 固態盤耐用性，工作負載很重要 如上所述，NAND 固態盤的實際耐用性遠高于機械硬盤，盡管存 在常見的誤解，但它可以明顯大于規定的 DWPD。
但是，面向 不同應用場景的固態盤耐用性也取決于客戶的使用模式和工作負 載的性質。 如圖 3 所示，機械硬盤往往具有一致但較低的耐用性，而 NAND 固態盤展現了不同的耐用性，具體取決于數據的模式和塊大小。
例如，如果應用依賴于小數據塊的頻繁隨機寫入，它將比大塊 數據的順序讀取更多地消耗 NAND 固態盤的壽命。這就是為什 么 QLC NAND 固態盤適用于讀取繁重的工作負載，這類工作負 載也需要大容量以快速訪問更多數據。 雖然針對讀取性能進行了優化，QLC NAND 也適用于其他數據 使用模式。憑借支持大數據塊的充足寫入性能，QLC NAND 能 夠支持某些細分市場的混合工作負載。 有關特定的工作負載放置示例，請參見本文的 “使用英特爾 QLC 3D NAND 固態盤支持現代工作負載” 部分。
QLC NAND 的質量和可靠性 由于 QLC NAND 技術很復雜，因此業內許多人認為必須在數據 可靠性、數據保持和硬盤整體可靠性等方面進行妥協。憑借三十 年的浮柵架構經驗，英特爾打造了一款毫無妥協的解決方案。 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤滿足聯合電子設備工程委員會 （JEDEC）的所有要求，相當于廣泛采用的 TLC NAND 固態盤。
機械硬盤和 QLC NAND NAND 固態盤的耐用性，以寫入總字節表示（更高越好）

圖 3. QLC NAND 的實際耐用性，機械硬盤與英特爾固態盤 D5-P5316 相比，以寫入 PB 數（PBW）表示。
表 1 顯示了英特爾 QLC NAND 固態盤與 TLC NAND 固態盤的比較情況。兩者具有相同的故障率、不可糾正的位錯誤率（UBER）、 操作振動和溫度范圍，以及同樣的 5 年保修。 表 1. 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤和英特爾 TLC NAND 固態盤在質量、可靠性等方面的規格比較。

將英特爾 QLC 3D NAND 固態盤與許多企業機械硬盤的質量和可靠性額定值進行比較時，差異更加明顯。表 2 將英特爾固態盤 D5- P5316 與兩個常用的企業機械硬盤進行了比較。其中顯示英特爾 QLC 3D NAND 固態盤的 UBER 比機械硬盤高兩個數量級。QLC NAND 固態盤在各種操作條件下表現出眾，在振動、溫度和磁性方面具有較高規格。
表 2. 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤和常用企業機械硬盤的質量和可靠性規格比較。

除了表 2 中突出顯示的優勢外，NAND 固態盤相比機械硬盤還表現出較低的實際故障率。上文提到的 USENIX 研究發現，NAND 固 態盤的平均年度返盤率（ARR）介于 0.07% 和近 1.2% 之間，機械硬盤為 2-9%。通過比較這兩個數據，我們可以發現 NAND 固態 盤的 ARR 相比機械硬盤低 7.5 到 28 倍8 。 在數據中心內使用英特爾 QLC 3D NAND 固態盤支持現代工作負載 借助經過讀取優化的高容量英特爾 QLC 3D NAND 固態盤，您可以從更多的溫數據中獲得更多價值，同時降低可靠技術的總體擁有 成本（TCO）。 加速訪問更多數據 QLC NAND 具有出色的順序和隨機讀取性能，可幫助您高效處理海量溫數據。這些特征使這種固態盤適用于現代企業應用，例如 AI 或數據分析。 這些用例依賴于快速讀取性能和可預測的低延遲，以支持更快地訪問數據，并通過擴展滿足未來需求。

圖 4. 將工作負載與 QLC NAND 固態盤匹配時可使用的特征。 要確定 QLC NAND 固態盤是否與您的工作負載匹配，請查找以 下特征：
? 帶寬：傳輸海量數據以支持計算的高讀取帶寬
? 服務質量（QoS）：低延遲和高服務質量，有助于優化計算利 用率并縮短獲取結果的時間
? 使用模式：讀取密集型（順序或隨機）工作負載，即使面臨大 數據塊寫入壓力也能夠游刃有余
? 數據塊大小：范圍廣（讀取） 圖 4 顯示了哪些工作負載部分與 QLC NAND 固態盤相匹配（基 于使用模式）。
英特爾 QLC NAND 的性能 英特爾固態盤 D5-P5316 包括現代固件，能夠為高容量存儲 提供卓越的讀取性能和高度的可擴展性。這款固態盤也是行業 首個采用 PCIe 4.0 控制器的 QLC NAND 固態盤。相比英特爾 QLC 3D NAND 固態盤提供的 PCIe 接口和高效 NVM express （NVMe）協議支持的多通道 I/O 功能，基于串行 ATA（SATA） 的 QLC NAND 固態盤將在吞吐量上受到更大的限制。
因此， 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤更適合現代工作負載的大規模吞 吐量要求。 旨在提升讀取性能的架構和功能改進也有利于最新一代的英特 爾 QLC 3D NAND 固態盤。與上一代相比，英特爾固態盤 D5- P5316 實現高達 38% 的隨機讀取性能提升及高達 2 倍的順序 讀取性能提升。13,14 該固態盤還包括智能固件，相比上一代產品 可在 99.999% 服務質量的情況下將延遲性能提升 48%。
與機械硬盤相比，QLC NAND 的性能優勢更加明顯。盡管具有 明顯的成本/容量優勢，但機械硬盤束縛了所存儲數據的價值， 因為它們運行較慢，無法支持需要快速訪問溫數據的工作負載。 如表 3 所示，與常用的企業機械硬盤相比，最新一代的英特爾 QLC 3D NAND 固態盤可將順序讀取性能提升高達 25 倍。
表 3. 英特爾 QLC 3D NAND 固態盤與兩款常用機械硬盤的讀取性能比較。

在讀寫原理上，機械硬盤的盤片表面被磁性材料所覆蓋，磁性粒子被磁頭極化以此來表示一個二進制信息單元，而閃存產品并不是采用磁性材料來存儲數據，而是使用基礎單元cell來存儲，這種技術可以很快很緊湊的存儲數據。這也是NAND Flash閃存顆粒帶來的革命，它使我們的電腦響應更迅速、文件讀寫速度飆升，大幅縮短等待時間，SSD由此成為必不可少的硬件產品。

非易失性ROM除了NAND之外，就是NOR，不過NOR的應用并沒有NAND這么廣泛，原因在于NOR讀取快，但寫入和擦除慢，所以通常只用來存儲一些配置設定類的參數等，NAND則被應用于數據存儲。

在經歷了多年的發展后，NAND閃存不止有了SLC、MLC、TLC之分，為了進一步提高容量、降低成本，NAND的制程工藝也在飛速的進步，從50nm一路到目前的16nm甚至更小，但是隨著工藝的進步，NAND的氧化層也越薄，導致了可靠性下降，為了解決這一問題，許多廠商費勁腦汁，終于在覺得平面也就是2D NAND已經遇到了瓶頸之后，廠商將目光投向了3D空間，也就是將數層2D NAND疊加在一起，既保證了可靠性又增大了容量，由此3D NAND顆粒進入大家的視野。也正因為3D NAND的技術，使得部分采用相應技術的TLC產品達到了MLC的性能，就是我們常說的3D TLC。而最近美光等大廠的第四代顆粒3D QLC產品也已經投入了市場，讓廣大消費者體驗到了更高的容量、更低的價格、更快的讀寫性能。
參考鏈接：
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/docs/storage/qlc-nand-ready-for-data-center-paper.html
https://www.crucial.cn/articles/about-ssd/what-is-a-nand-flash

總結

以上是生活随笔為你收集整理的英特尔 QLC 3D NAND 数据存储的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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