浅谈固态存储技术
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浅谈固态存储技术
2018/8/16
目录
• SSD技术概述 • 固态盘设计考虑 • 数据中心SSD技术发展
一一、SSD技术概述
存储盘接口口技术发展
SCSI Disk
First Disk
IDE Disk
FC Disk
SAS/SATA SSD
SFF-8639 SATA-Express Host-based PCIe SSD
Device-based PCIe SSD
Time
SSD技术演进
SATA/SAS SSD
Host based SSD
Device based SSD
1
U.2 SSD
4
NVMe AIC SSD
2
M.2 SSD
3
SSD类型
² SATA/SAS SSD ü 接口口和软件栈是性能瓶颈点 ü 支支持双端口口等企业级特性 ü 在全闪阵列列中广广泛应用用
Target DIE DIE
DIE Plane Plane Plane Plane
Targe t
CHIP
Targe Targe
Biblioteka Baidu
t
t
Targe t
Plane Block Block Block Block
Block
Block Page Page Page Page
Page
DIE (LUN)
NAND Flash技术演进
广泛应用
NAND Flash分类
² 层式分类
ü SLC • 存储密度低，可靠性高 • 一个cell单元表示一个bit
ü MLC • 一个cell单元可以表示2个bit • 擦写次数（PE）3000（cMLC），10,000（eMLC）
ü TLC • 一个cell单元可以表示3个bit • 擦写次数在1500（cTLC），6000（eTLC）
SSD心心脏 —— SSD控制器器
² SSD控制器器基本职责
ü 提供多个NAND Flash控制通道 ü 提供多个微处理理器器单元 ü 提供NAND Flash数据编解码硬件单元 ü 提供Flash数据乱序编解码处理理单元 ü 提供SATA/SAS/NVMe（PCIe）接口口单元 ü 提供DMA数据处理理引擎 ü 提供XOR硬件处理理单元 ü 提供数据加解密单元 ü 提供其他的加速引擎
² 高高数据可靠性 ü Storage media life-cycle is predictable
² 大大容量量 ü 3D/Multi-level technologies increase density of NAND flash
² 有竞争力力力的价格 ü Price of NAND flash is going down every year ü Moore’s law
² 单片片NAND Flash的性能不不高高
• 需要通过NAND Flash之间的并 发提升SSD性能
• 要求：需要充分挖掘NAND Flash的并发度
MB/s
NAND Flash与SSD性能对比比
3500
3000
3000
硬件接口口层
NVMe SSD与SATA SSD／HDD性能对比比
² SATA SSD对比比
ü 13倍IOPS读提升 ü 28倍IOPS写提升 ü 3倍读带宽提升 ü 7倍写带宽提升
² HDD对比比
ü 4760倍读IOPS提升 ü 1320倍写IOPS提升 ü 16倍读带宽提升 ü 14倍写带宽提升
² 以Block为擦除单元 ü 典型块大大小小：24MB + 3312KB
² NAND单芯片片访问性能 ü MLC为例例
• 写：1225us/Page，13MB/s • 读：90us/Page，178MB/s • 擦除：3~5ms/Block
² 接口口标准 ü ONFI与Toggle
² 低功耗 ü Power consumption is lower than traditional storage media
NAND Flash特性
² 存储容量量大大 ü 单芯片片容量量达到6Tb (768GB)
² 以Page为访问单元 ü 典型⻚页大大小小：16KB + 2208B
² QoS
ü 支持多个Name Space之间的IO性能QoS
• 简化多业务共享SSD的使用
² Data encrypTon
ü 通过加密手段保证数据安全
二二、固态盘设计考虑
NAND Flash性能
² NAND Flash正常操作性能
• 写：1225us/Page，13MB/s • 读：90us/Page，178MB/s • 擦除：3~5ms/Block
• GC加速单元 • 消息通信加速单元 • 队列列管理理单元 • 内存管理理单元
SSD控制器器架构
² SMP架构
• Samsung、Marvell等
² MPP架构
• Microsemi
² 不不同架构会影响固件 设计
SMP架构
MPP架构
SSD固态盘接口口
协议层
ATA
SCSI
NVMe SFF-8639 （U.2）
² PCIe SSD Card ü 高高性能 ü 常用用作Cache应用用 ü 类型
• Host based SSD • Device based SSD
² NVMe SSD ü 高高性能标准接口口 ü 类型 ü U.2/AIC/M.2
SSD技术优势
² 高高带宽、IOPS，低延迟 ü High random data access performance
NVMe SSD提供的功能
² MulTple Name Space
ü 可以将一块盘分割形成多块盘使用
• 逻辑卷管理功能移植到了SSD内部
² Atomic Write
ü 原子写操作保证数据一致性
• 简化文件系统、数据库的实现
² End-to-End data protecTon
ü 支持端至端的数据保护，保证数据的可靠性
ü QLC • 一个cell单元可以表示4个bit • 计划用在低成本的数据备份领域
² 结构分类
ü 2D NAND（平房） ü 3D NAND（楼房）
• 32层、48层、64层…
NAND Flash结构
² 结构
ü Chip ü Target
ü DIE (LUN) ü Plane ü Block ü Page
2018/8/16
目录
• SSD技术概述 • 固态盘设计考虑 • 数据中心SSD技术发展
一一、SSD技术概述
存储盘接口口技术发展
SCSI Disk
First Disk
IDE Disk
FC Disk
SAS/SATA SSD
SFF-8639 SATA-Express Host-based PCIe SSD
Device-based PCIe SSD
Time
SSD技术演进
SATA/SAS SSD
Host based SSD
Device based SSD
1
U.2 SSD
4
NVMe AIC SSD
2
M.2 SSD
3
SSD类型
² SATA/SAS SSD ü 接口口和软件栈是性能瓶颈点 ü 支支持双端口口等企业级特性 ü 在全闪阵列列中广广泛应用用
Target DIE DIE
DIE Plane Plane Plane Plane
Targe t
CHIP
Targe Targe
Biblioteka Baidu
t
t
Targe t
Plane Block Block Block Block
Block
Block Page Page Page Page
Page
DIE (LUN)
NAND Flash技术演进
广泛应用
NAND Flash分类
² 层式分类
ü SLC • 存储密度低，可靠性高 • 一个cell单元表示一个bit
ü MLC • 一个cell单元可以表示2个bit • 擦写次数（PE）3000（cMLC），10,000（eMLC）
ü TLC • 一个cell单元可以表示3个bit • 擦写次数在1500（cTLC），6000（eTLC）
SSD心心脏 —— SSD控制器器
² SSD控制器器基本职责
ü 提供多个NAND Flash控制通道 ü 提供多个微处理理器器单元 ü 提供NAND Flash数据编解码硬件单元 ü 提供Flash数据乱序编解码处理理单元 ü 提供SATA/SAS/NVMe（PCIe）接口口单元 ü 提供DMA数据处理理引擎 ü 提供XOR硬件处理理单元 ü 提供数据加解密单元 ü 提供其他的加速引擎
² 高高数据可靠性 ü Storage media life-cycle is predictable
² 大大容量量 ü 3D/Multi-level technologies increase density of NAND flash
² 有竞争力力力的价格 ü Price of NAND flash is going down every year ü Moore’s law
² 单片片NAND Flash的性能不不高高
• 需要通过NAND Flash之间的并 发提升SSD性能
• 要求：需要充分挖掘NAND Flash的并发度
MB/s
NAND Flash与SSD性能对比比
3500
3000
3000
硬件接口口层
NVMe SSD与SATA SSD／HDD性能对比比
² SATA SSD对比比
ü 13倍IOPS读提升 ü 28倍IOPS写提升 ü 3倍读带宽提升 ü 7倍写带宽提升
² HDD对比比
ü 4760倍读IOPS提升 ü 1320倍写IOPS提升 ü 16倍读带宽提升 ü 14倍写带宽提升
² 以Block为擦除单元 ü 典型块大大小小：24MB + 3312KB
² NAND单芯片片访问性能 ü MLC为例例
• 写：1225us/Page，13MB/s • 读：90us/Page，178MB/s • 擦除：3~5ms/Block
² 接口口标准 ü ONFI与Toggle
² 低功耗 ü Power consumption is lower than traditional storage media
NAND Flash特性
² 存储容量量大大 ü 单芯片片容量量达到6Tb (768GB)
² 以Page为访问单元 ü 典型⻚页大大小小：16KB + 2208B
² QoS
ü 支持多个Name Space之间的IO性能QoS
• 简化多业务共享SSD的使用
² Data encrypTon
ü 通过加密手段保证数据安全
二二、固态盘设计考虑
NAND Flash性能
² NAND Flash正常操作性能
• 写：1225us/Page，13MB/s • 读：90us/Page，178MB/s • 擦除：3~5ms/Block
• GC加速单元 • 消息通信加速单元 • 队列列管理理单元 • 内存管理理单元
SSD控制器器架构
² SMP架构
• Samsung、Marvell等
² MPP架构
• Microsemi
² 不不同架构会影响固件 设计
SMP架构
MPP架构
SSD固态盘接口口
协议层
ATA
SCSI
NVMe SFF-8639 （U.2）
² PCIe SSD Card ü 高高性能 ü 常用用作Cache应用用 ü 类型
• Host based SSD • Device based SSD
² NVMe SSD ü 高高性能标准接口口 ü 类型 ü U.2/AIC/M.2
SSD技术优势
² 高高带宽、IOPS，低延迟 ü High random data access performance
NVMe SSD提供的功能
² MulTple Name Space
ü 可以将一块盘分割形成多块盘使用
• 逻辑卷管理功能移植到了SSD内部
² Atomic Write
ü 原子写操作保证数据一致性
• 简化文件系统、数据库的实现
² End-to-End data protecTon
ü 支持端至端的数据保护，保证数据的可靠性
ü QLC • 一个cell单元可以表示4个bit • 计划用在低成本的数据备份领域
² 结构分类
ü 2D NAND（平房） ü 3D NAND（楼房）
• 32层、48层、64层…
NAND Flash结构
² 结构
ü Chip ü Target
ü DIE (LUN) ü Plane ü Block ü Page