数据中心的下一代存储？QLC迷思探讨

宝存科技 2023-05-05

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随着云计算、大数据、物联网等新技术的普及和应用，全球对数据的需求持续增长，根据相关数据，2023年的数据量将达到120吉字节(ZB)。同时，在降本增效趋势影响下，如何实现用更低成本实现更大数据量和更高性能存储，是数据中心发展的热门话题，同样也是数据中心行业的必经之路。

当前数据中心中，主要存储介质包括光盘、磁带、机械硬盘、SSD等，其中光盘和磁带存储寿命较长性能较低，大多用作冷数据存储，机械硬盘和SSD则是当前数据中心热数据存储首选介质。

企业级机械硬盘在成本和容量上对比SSD有着不小的优势。可是，伴随着数据量的增长，应用对硬盘内数据读取的频率和每次读取的大小都在不断增加，机械硬盘由于其结构限制，数据读写过程需要磁头在盘片上进行寻道和旋转，这两个过程会消耗大量时间，导致随机读写性能非常低。而顺序读写时磁头连续在同一磁道上进行数据读写，减少了寻道和旋转的时间，因此机械硬盘的顺序读写性能相对较高。即便如此，机械硬盘的顺序性能与动辄数GB/s的SSD相比差距依然巨大。

除了性能上的差异，机械硬盘体积也较大，对于需要密集安装的服务器机架而言也不够友好。

在高性能、小体积以及固件可定制化等特点的加持下，SSD近年来正在逐渐蚕食机械硬盘在数据中心的市场份额，PCIe Gen4 TLC SSD现已在全球数据中心的高端应用中广泛采用。为了提供相比TLC SSD更好的成本效益和相比机械硬盘更好的性能，数据中心该如何采用QLC SSD的相关讨论一直层出不穷。

QLC虽然单元密度更高，容量更大且成本更低，但是其寿命、性能和数据可靠性等问题一直是数据中心所担忧的。

那么今天我们就来讨论一下，QLC SSD在寿命、性能和可靠性方面的问题，该如何看待和解决。

寿命

经过数年发展，随着QLC闪存以及QLC SSD固件一代又一代的调整和进步，当前QLC SSD的耐用度已比刚推出时提升了5倍以上。

同时，ZNS等新型Host-based的FTL固件模型，将NAND内部结构的边界透露给主机，也就能够将地址映射表等内部管理工作交由主机去处理，从而减少写放大、选择合适的垃圾回收时机，从而提升QLC NAND的可写入次数和整体寿命。

并且，根据Forward Insights Datacenter数据，预计2020-2023年全球数据中心SSD出货量中，≤1 DWPD耐用度的SSD占据了总量的85%。多伦多大学对企业存储部署的140万块SSD研究中，预测99%的系统最多只使用到了其硬盘额定寿命的15%，这意味着绝大多数的企业级SSD在应用中并没有真正消耗完其使用寿命，也就更谈不上对使用寿命的担忧。

性能

QLC早前大多应用在SATA SSD中，带宽上限仅有6Gbps，也就是540MB/s。基于更新的PCIe Gen4接口的QLC SSD在许多基准测试和实际工作负载中，均能实现6GB/s左右的连续读写性能，与TLC SSD相近。

值得一提的是，数据中心不同应用对于读取和写入速度有着不同需求，因此企业级SSD也就有混合读写型和读取密集型的分别。在读取密集型应用中，比如视频流服务器、数据分析、搜索引擎等，此类应用更关注存储的容量和读取性能，QLC SSD能够提供与TLC SSD相同的读取性能，并且容量更大、成本更优。

数据可靠性

由于QLC闪存每个单元可以存储4比特数据，导致QLC相邻状态之间的电压差更小，因此对QLC闪存单元来说，会给读操作引入更多的噪声，带来更高的原始误码率，所以QLC闪存也就需要更强大的纠错和管理技术。

对于TLC SSD而言，主控芯片采用2K LDPC编码即可。但QLC误码率更大，需要用到4K LDPC（低密度奇偶校验Low-Density Parity-Check）纠错技术。4K LDPC在同样的码率下相比2K方案降低UBER至少两个数量级以上，能够大大提高QLC闪存纠错性能。

随着QLC闪存、主控以及固件等各方面技术的发展和成熟，有理由相信QLC SSD将会为数据中心提供更具成本效益的高性能存储产品。宝存科技也将紧跟数据中心降本增效趋势，积极探讨QLC闪存在企业级SSD的更多商用场景和具体实现。

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