固态存储中的黄金赛道，细说企业级SSD
来源:SSDFans发布时间:2023-01-101813浏览
询问 AI各大原厂将在2023年增加用于服务器、数据中心的产品，美光、SK海力士和三星电子都在2022年第三季度财报中提到了一些新动能的出现：数据中心、服务器将会成为存储器市场的下一个强劲的驱动力。因此，对于企业级SSD来说，数据中心和服务器对于企业级SSD增长的需求将引领新一轮SSD的增长。
1.企业级SSD市场
其中，由于PCIe SSD拥有更高的性能及更好的软件和平台生态，SATA和SAS SSD将逐步被PCIe SSD取代，份额逐步降低。预测企业级PCIe SSD在企业SSD中的出货量占比会从2020年的46.9%大幅增长到2025年的88.9%【1】，成为企业级SSD市场的主流产品，因此PCIe SSD将引领和驱动整体企业级SSD的增长。
从另一个维度出货容量看，除了冷存储磁带之外，温热数据企业级存储应用以HDD磁盘和SSD固态存储两种产品为主。Gartner分析师认为，2020-2026年，预测企业级SSD出货容量以年均37%快速增长【2】，但由于HDD低廉的价格，目前80%的数据还依然存储在HDD上，未来凭借企业级SSD成本的不断下降，以及相对于HDD更好的可靠性、性能和功耗等优势，企业级SSD占比将不断的攀升，持续渗透企业级HDD市场，市场空间巨大。预测到2026年，企业级SSD出货容量占比整体HDDSSD容量将增长到30%。
总之，企业级SSD是固态存储中的黄金赛道，一路向前，无论是营收还是出货容量，将引领固态存储市场的高速增长。
国内市场方面，全球数字化进程加速，国内互联网、电信、政府、金融、能源等千行百业也在进行着数字化跃迁，数字中国进入全面建设期。除了传统互联网数字中心继续扩建扩容，由电信政府主导的东数西算数据中心布局在加速进行着，这无疑加速了数据中心对服务器和服务器对存储的需求，因此直接加速了企业级SSD需求的增长。
TrendForce数据显示，我国企业级SSD快速增长，2019年出货量不到400万块，到2025年预计将超过1300万片，年均增长率保持在18%以上，发展空间广阔。2019年，我国企业级 SSD市场规模不足100亿元，2021年，总规模已经超过200 亿元【1】。
2.企业级SSD过去、现在和未来
企业级SSD经过多年的发展，按企业级系统需求以其独有的设计，结合NAND、控制器、总线速度、协议标准等不断发展和演进，不断给客户提供更快速度、更低功耗、更高寿命、始终高可靠、更安全、更低$/GB的SSD产品。回收过往，梳理一下企业级SSD的重要技术参数发展史：
企业级SSD历史技术发展参数表
过去 | 现在（主流） | 未来 | |
接口 | SATA 3.0/PCIe 3.0/SAS | PCIe 4.0 | PCIe 5.0 |
性能 | SATA: 550MB/s PCIe 3.0: 3500MB/s | PCIe 4.0: 7400MB/s | PCIe 5.0: 14GB/s |
协议 | SATA/NVMe 1.0/SCSI | NVMe 1.4 | NVMe 2.0/CXL |
Form factor | 2.5寸/M.2/U.2 | U.2/M.2 | U.2/EDSFF/M.2 |
容量 | 最大4T | 最大16T | 最大32T >32T |
功耗 | 最大15w | 最大25W | 最大70W |
工作电压 | 2.5寸: 5V M.2: 3.3V U.2: 3.3V/12V | U.2: 3.3V/12V M.2: 3.3V | U.2: 3.3V/12V EDSFF: 3.3V/12V |
控制器 | SATA/SAS/PCIe 3.0控制器 | PCIe 4.0控制器（NAND 8/16通道） | PCIe 5.0控制器（NAND 8/16通道）/CXL控制器 |
控制器制程 | 28nm | 16/12nm | 12/7/6nm |
ECC | BCH/LDPC 2K | LDPC 4K | LDPC 4K、混合编码ECC等 |
介质 | MLC/TLC NAND | TLC/QLC NAND | TLC/QLC/PLC NAND SCM(XL-Flash等) |
NAND层数 | 2D NAND | 3D 128L/176L NAND | 3D >176L NAND |
NAND接口速度 | 800MT/及以下 | 1200MT/s 1600MT/s | 1600MT/s 2400MT/s |
OCP | 无 | OCP 1.0 | OCP 2.0 |
特性需求 | SATA/SCSI协议规范 标准盘 | NVMe 1.4协议规范 标准盘、ZNS盘等 | NVMe 2.0协议规范 标准盘、ZNS盘、可计算存储盘、定制盘等 |
早期的企业级SSD始于企业级HDD相似的规范设计，相同的SATA接口、2.5寸尺寸及同样的命令集，不同的是HDD使用磁介质，SSD使用NAND，但性能大幅提升，并且可靠稳定，逐步成为了高性能企业级存储设备的首选，可以说企业级SATA SSD是企业级SSD的开山鼻祖。同时这是一项颠覆性技术，相比较于HDD，客户从企业级SATA SSD体验到了高速的爆发式的性能，为高性能存储设备无论是服务器还是存储陈列提供了坚实的底座。
2006年，一家名叫Fusion-io的公司成立了，他提出用最适用于闪存的方式处理闪存，把PCI-E和NAND闪存的特长结合到一起，找出二者协同工作的方式，随后推出了iodrive产品，打破了SATA IO的带宽瓶颈。
无独有偶，2011年，国内宝存信息科技（Shannon Systems）成立，同Fusion-io相似的产品理念，于2014年发布了Direct-IO单卡6.4TB容量的闪存卡，PCIe 2.0x8接口，在SATA SSD基础上实现了7倍性能的提升，具有改变当时竞争格局的潜力，可以说这是国内较早的PCIe SSD的雏形。
在那个时代，Fusion-io和宝存科技都做出了PCIe SSD产品的雏形，行业先驱。但受限于其协议和命令是私有定义，没有成为标准，很难在X86及其他系统上被广泛部署。基于此，Intel老大哥，作为服务器CPU平台的绝对领导者扛起大任，和NVMe委员会一起在2011年3月发布了NVM Express规范的1.0版本，将PCIe SSD协议统一化和标准化，PCIe SSD也因此发扬光大。
NVMe是第一个真正满足高速存储介质需求的全新协议，基于PCIe接口协议设计极简高效。也正因于此，SSD顺利的从SATA过渡到了PCIe SSD，然后衍生出被大量应用的企业级NVMe PCIe 3.0 SSD，新的U.2 form factor, 更大容量的NAND, 更快速NAND接口速度以适配PCIe 3.0x4前端带宽，更高性能更低功耗的控制器。
这就像一场接力赛，从HDD、SATA SSD到PCIe SSD，一个个新的颠覆性技术的出现，加以NAND、主控、协议、驱动、软件和平台相互适配，在这个大家庭里，各个厂商各司其职，通力配合，最终完成各个SSD产品的商业落地以及各代次产品的迭代和提升。
如今PCIe SSD已经广泛进入到企业级存储中，占有80%（按出货容量）的固态存储份额，并迈入PCIe 4.0时代。我们具体看下当前及未来企业级SSD的状态：
平台：当前企业级SSD以PCIe 4.0x4 SSD为主，适配的x86平台有Intel的IceLake和AMD的Milan，及部分ARM CPU和国产CPU平台。展望2023年，基于AMD Genoa、Intel Sapphire Rapids、支持PCIe 5.0接口ARM服务器CPU和国产CPU的出现，SSD也顺利成章的从PCIe 4.0升级到PCIe 5.0 SSD，性能翻倍。
NAND：当前各大原厂以128及176层NAND为主力量产产品，接口速度分别高达1200 MT/s及1600 MT/s。未来NAND会向230+层NAND迁移，接口速度2400 MT/s，成本更优，速度更快。
控制器：当前主流的企业级PCIe 4.0 SSD控制器，后端16或8通道，可支持TLC/QLC NAND，为了实现最优的工作功耗，控制器制造制程为16/12 nm。未来PCIe 5.0控制器，性能再次翻倍，为了实现更好的能效比，控制器制造制程升级为12/7/6 nm。
除此之外，在2022年8月举行的FMS全球峰会和10月OCP峰会上， Google、Microsoft及Meta三大数据中心代表讨论了他们关心的企业级SSD话题：
Form factor：拥抱E1.S，取代M.2；以及更适合Gen5 SSD的E3.S。
- SSD轻存储：ZNS SSD把复杂的NAND操作抽象出接口给主机端，按企业级应用优化的方式把NAND管理和数据物理隔离动作交给主机。主机端按Zone的方式顺序写，降低写放大提升寿命，并控制SSD垃圾回收以达到更好的QoS时延表现。SSD实现了“轻”存储。
- 远程Debug能力：使用Telemetry、Smart、Timestamp（Drive events correlated to system BIOS and OS events）、Latency Monitoring、Expanded C0h Log Page等记录故障信息，以实现客户现场快速问题定位和远程Debug能力。
- 安全：Secure boot、TCG、FIPS等。
- 统一需求标准：OCP NVMe Datacenter SSD Specification；OCP Hyperscale NVMe Boot SSD Specification。
作为业界第三方控制器领导者慧荣科技，在FMS峰会上首次推出了新的MonTitan™ PCIe 5.0企业级开发平台，并谈到未来企业级控制器及SSD设计遇到的挑战：
PCIe Gen5及更远的Gen6控制器和SSD的设计，如何做好性能和功耗的平衡。
更大的NAND Block size和Die size，QLC甚至PLC的使用，导致控制器需要更先进的LDPC设计、更好的NAND program处理算法、提升性能的Multi-plane命令处理等控制器端设计。
标准的进化：NVMe、OCP、Security及Form factor等。
新的企业级应用优化的出现：ZNS、Streams等。
3.企业级SSD产品及竞争力要素
如前文所述，企业级SSD市场具有高增长潜力，门槛较高，但国际国内玩家众多，竞争依然激烈。竞争的根本还是产品本身和厂商实力，设计一款好的企业级SSD需要厂商们聚焦产品技术本身和具备相应的能力，如下图：
企业级SSD产品核心指标和SSD供应商能力介绍
1)企业级SSD产品需要
性能：除了读写带宽Throughput和随机IOPS性能之外，稳态状态各个不同工作负载下的性能和时延表现（也称为QoS服务质量）是一项特别重要的指标。
安全：数据中心和企业级存储需要数据的正确性，无论何时何种条件，在SSD产品的生命周期内，系统和用户写下去的数据须被正确的读取，无错误数据。否则会给系统带来灾难，或给用户带来巨大的损失。企业级SSD另一项安全指的是盘的安全性和数据的安全性，加密特性保障数据的安全，安全启动、固件签名和访问权限管理保障盘的安全。
稳定：存储器是数据中心及服务器运行的关键设备，讲究稳定可靠，这是一项必须的关键指标。
系统：企业级应用包括平台和软件，其中CPU包括Intel、AMD、ARM等处理器，系统软件包括Linux、Windows Server OS等，各类型企业级应用软件和平台具备不同的需求，企业级SSD作为数据存储设备，无论在何种平台、何种驱动和何种软件上运行，需要具备良好的兼容性及稳定的性能表现。
创新技术：企业级SSD从SATA到PCIe，从AHCI到NVMe，从SLC到TLC，一路走来，不断有新的技术的出现。一些大的客户如互联网客户，和SSD供应商一起，不断探索新的技术如ZNS、QLC等，作为企业级SSD产品，对新技术的支持和保持创新是另外一项重要的指标。
2)企业级SSD供应商能力
主控：主控是SSD产品中一个重要的组件，它是核心计算单元。有的SSD供应商也是主控厂商，有了主控加持，核心能力自然大大提升。
NAND：NAND一般由六大原厂提供，是SSD产品中另一个重要组件，对NAND的理解深度，SSD厂商和NAND原厂的关系，是企业级SSD供应商另外一个能力的体现。
固件：固件是SSD的核心调度单元，企业级SSD厂商一般自研固件，这是企业级SSD供应商一项重要的研发能力。
客户：70%以上企业级SSD产品被头部客户消耗掉，如互联网大厂、电信运营商等。他们拥有大的市场份额及技术能力，作为企业级SSD供应商，如果能和头部客户结为合作伙伴，自然在市场竞争中领先一步。
4.国产企业级SSD，宝存竞争力分析
- 使用慧荣科技领先的企业级主控和长期稳定的主控供应：慧荣在消费级控制器市场上的口碑、影响力非常大，同时一直不断投入企业级主控的研发，控制器具有领先的性能和千锤百炼的稳定性，这些是企业级SSD的基石。供应链方面，在母公司的支持下，宝存科技可以向客户保证长期稳定的主控供应；
- 全套的SSD解决方案：宝存科技具备从主控、固件、驱动、产品验证、质量把控等全链优势，在完整方案的垂直整合上经验充足；
- NAND闪存原厂的支持：宝存科技和母公司慧荣科技，一直以来和NAND原厂保持良好的合作伙伴关系，在NAND闪存的迭代、使用和管理等方面，宝存拥有丰富的经验积累；
- Tier1客户：宝存科技已成为国内多家互联网和电信大厂的供应商；
- 安全稳定：做好企业级SSD需要五到十年甚至更长的时间积累，稳定性和可靠性的锤炼从产品实际部署及踩坑中获得，这样才能达到企业级标准，宝存科技拥有超过十年的一线大厂SSD规模部署经验；
- 系统：宝存科技和一线大厂有着定制化开发的深度合作，和客户在软件层级、固件层级、主控层级、硬件方面的协作，对上层应用和底层的实现有着充分的理解；
- 创新技术：宝存科技一直以来和一线大厂保持密切合作，如Open-Channel、ZNS等SSD的合作开发，并达到实际规模量产；
- 弹性化的本土服务：根据客户需求，宝存科技能够提供整盘方案，也可以做一些定制化的Turnkey方案，甚至可以做一些半定制化方案，双方合作开发。
1)宝存SP4 SSD
宝存科技基于慧荣控制器SM8266推出了SP4E、SP4X 两款PCIe 4.0企业级SSD，分别为读敏感型和读写混合型负载设计，U.2 form factor，最大容量7.68T：
SP4 SSD规格参数表
Shannon SSD NVMe SP4 Series U.2 | ||||||
产品型号 | P8G1920 | P8G3840 | P8G7680 | P8G1600 | P8G3200 | P8G6400 |
容量(TB) | 1.92 | 3.84 | 7.68 | 1.6 | 3.2 | 6.4 |
闪存类型 | 3D TLC | |||||
DWPD | 1 | 3 | ||||
顺序读带宽(GB/s) | 6 | 6.5 | 6.5 | 6 | 6.5 | 6.5 |
顺序写带宽(GB/s) | 3.2 | 3.5 | 3.5 | 3.2 | 3.5 | 3.5 |
随机读IOPS(4KB) | 550K | 900K | 900K | 550K | 900K | 900K |
随机写IOPS(4KB) | 140K | 180K | 180K | 220K | 310K | 310K |
随机读延迟(us) | 75us | |||||
随机写延迟(us) | 15us | |||||
保修期 | 5年 | |||||
物理形状 | U.2 2.5寸盘 | |||||
接口 | PCIe 4.0x4(NVMe 1.4) | |||||
- 实测：各项稳态及一致性性能：
产品：宝存科技SP4E 7.68T；测试平台：浪潮G3-Inspur-5280M6服务器（Xeon Gold 6348）；测试软件：FIO；OS：Linux；
测试结果：
SP4E测试结果
测试项 | 性能 |
Seq write 128K 1job QD128 | 3528 MB/s |
Seq read 128K 1job QD128 | 6527 MB/s |
Rand write 4k 4job QD64 | 206K IOPS |
Rand read 4k 4job QD64 | 874K IOPS |
Latency：Rand write 4K 1job QD1 | 12.04 us |
Latency：Rand read 4K 1job QD1 | 71.1 us |
QoS：Rand r/w 4K 4job QD64 read(99.9%/99.99%) | 3523 us/4817 us |
QoS：Rand r/w 4K 4job QD64 write(99.9%/99.99%) | 5014 us/5407 us |
SSD功耗：Active 18W；
性能稳定性：4KB Random Read IOPS Consistency 90%，4KB Random Write lOPS Consistency 85%；
系统兼容：宝存科技SP4系列SSD经过一系列兼容性测试，确保在不同硬件和系统配置的服务器上均能稳定高效运行，验证配置如下：
Intel CPU：Xeon Gold 6330N、Xeon Gold 6348、Xeon Platinum 8352Y、Xeon Platinum 8369C；
AMD CPU：EPYC 7742、EPYC 7402、EPYC 7642；
ARM CPU: Kunpeng 920 7261K；
OS软件：Debian OS、RedHat OS、CentOS、麒麟OS、UOS、Windows Server OS、VMware ESXi OS；
- 产品设计：
- SP4 SSD架构设计充分利用NAND的program/erase suspend特性，为各种企业级IO负载提供稳态下的优异的QoS表现，最大稳态延迟在10毫秒以下；
- 采用端到端的路径硬件数据保护及慧荣科技独家NANDXtend ECC技术，能为数据的正确性提供保证，完全满足UBER 10-17指标；
- 完整的掉电保护及电容可靠性检测，高温监控保护能力，其单盘失效平均时间(MTBF)超过2百万小时等SSD企业级指标。
2)聚焦客户
作为行业老兵，宝存科技拥有十年以上一线大厂规模部署经验，不仅在国内头部的Tier1电商、互联网等企业数据中心部署使用，而且和国内多家服务器厂商建立良好合作关系。产品可靠稳定，性能领先，以及本地化的技术支持和售后服务保障客户安心和放心。
系统兼容性认证方面，不仅x86平台，对于国产化平台如鲲鹏、飞腾和海光平台都有验证，能在各种平台稳定可靠运行。SP4系列SSD支持Telemetry的功能，对于客户端遇到问题提供统一的接口收集错误日志，以实现快速定位。
5.展望未来，宝存SP5产品规划
未来，PCIe 5.0 SSD时代即将到来。基于最新的慧荣SM8366 PCIe Gen5主控芯片和MonTitan™ PCIe Gen5 SSD解决方案平台，宝存已经开发出SP5系列企业级SSD。宝存SP5系列SSD将完全支持OCP Cloud SSD规范以及NVMe 2.0规范，外形规格在延续现有U.2尺寸之外还将支持EDSFF相关标准，提供E1.S、E3.S尺寸，以满足数据中心存储标准化需求。
SP5 SSD在基于Linux操作系统的FIO软件测试中，达到3405K IOPS的随机读取速度。与目前主流企业级PCIe 4.0 SSD读取速度相比，达到了4倍性能的提升，这意味着基于慧荣SM8366主控打造的企业级SSD产品能够在数据中心中更轻松应对存储密集型应用，尤其在现有PCIe 4.0 SSD面临性能瓶颈的应用中，将充分发挥PCIe 5.0 SSD的性能优势。
宝存SP5 SSD介绍
引用：
< 长按识别二维码添加好友>
加入上述群聊
带你走进万物存储、万物智能、
万物互联信息革命新时代
新闻来源：SSDFans，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。