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你的SSD能上网?从FMS 2019一览闪存新技术发展趋势

近年来闪存相关技术的发展速度非常快,容量越来越大、速度越来越快、价格更低的闪存相关产品接连上市,让普通消费者也能直观感受到闪存技术进步所带来的更好数据存储体验。展望未来技术,闪存还有哪些可以提升的空间呢?在FMS 2019闪存技术峰会中,各路厂商就为我们展示了不少新技术。下面就让我们挑选其中的重点,一起去展望未来存储技术的发展趋势。

2019年8月16日,一年一度的“Flash Memory Summit”,也就是FMS 2019闪存技术峰会在美国硅谷的圣克拉拉如期召开。在这场会议上,东芝、三星、SK海力士等业内相关企业都展示了自己的新技术或者新产品。不过,和其他一些展会各大厂商轮流唱戏的热闹场面不同的是,FMS展会相对来说显得更为小众和专业一些。其中三星、SK海力士等主要以产品展示为主,技术提及不多。美光在展会上也只是以展示为主,没有专场报告和技术发布会。

最终的重头戏则交给了东芝,作为闪存芯片的发明者,东芝带来了大量新技术,并且和技术伙伴一起进行了技术发布和研讨。因此,本文介绍的内容将以东芝发布的相应技术为主。值得一提的是,本次会议开设有中国专场,这也是FMS连续七届召开中国专场会议,显示了中国在这个领域的技术进步。

XL-Flash:东芝的全新超低延迟3D SLC

SLC NAND的特点是高性能、长寿命、价格昂贵和相对较低的容量。也正是由于这些特点,SLC产品在民用市场几乎绝迹,它更适合对成本不那么敏感的企业级用户。大量企业级用户看中了SLC的高性能和长寿命,往往使用在对数据安全要求较高,或是对性能有比较明确要求的场合。不过,东芝认为SLC的性能和结构依旧存在大量改进空间,因此提出了低延迟的3D SLC,也就是XL-Flash技术。

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▲XL-Flash的特性和功能

作为低延迟存储器技术的一种,英特尔之前推出的3D Xpoint已经成功地在企业级市场站稳了脚跟。3D Xpoint的特点在于理论最低数据读写延迟仅比DRAM高3倍左右,最低可达0.35微秒(DRAM大约在0.1微秒以内),和目前NAND产品大约100微秒的延迟相比,大约低了2~3个数量级。不过,英特尔的3D Xpoint采用的是全新存储架构和独特的存储体系,和NAND完全不同,技术研发难度比较大,成本投入和生产难度也比较高。

相比之下,东芝的XL-Flash技术则是完全基于现有的NAND技术衍生、改进而来,因此技术难度没有那么高。同样的,性能也只能基于NAND产品进行提升。根据东芝提供的资料显示,XL-Flash的延迟相比3D TLC产品大约降低了10倍,其主要用途依旧是在TLC NAND和DRAM之间作为缓存使用,毕竟这两者的读取延迟大约差了三个数量级。

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▲东芝在展会上发布了XL-Flash

那么,XL-Flash是如何做到延迟大幅度降低的呢?实际上,XL-Flash采用的是3D SLC技术,也就是采用3D堆叠技术生产的SLC颗粒。由于SLC本身的延迟和性能要比TLC高很多,东芝也给予了大量的技术优化,比如页容量改为4KB而非传统的16KB,这样可以降低读写延迟并提高随机效能;采用新的16-plane面结构替代传统的2-plane面结构,可以增强并发读写效能从而降低延迟等。各种新技术的加持以及SLC颗粒固有的高性能,使得东芝的XL-Flash达到了比传统3D TLC NAND更好的性能。

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▲东芝提到XL-Flash的延迟是TLC产品的1/10

和XL-Flash类似的产品还有之前三星发布的Z-NAND,其技术实现方式同样是采用SLC替代目前常见的TLC,从而实现性能提升。三星已经发布了48层堆叠的Z-NAND产品,实际测试延迟大约在23微秒左右,大约是传统TLC SSD的1/4。东芝的XL-Flash目前暂时没有公布具体性能数据,不过从架构角度来看,应该和三星的产品在伯仲之间。

具体到产品上,第一代东芝XL-Flash的单芯片容量为128Gbit,由于采用的是SLC技术,因此单颗容量较低也是可以理解的。另外,东芝还提供2个芯片、4个芯片或者8个芯片堆叠封装的选择,这样可以大幅度提高单封装芯片的容量。横向比较的话,东芝XL-Flash的存储密度大约只有96层3D TLC NAND的一半,这应该是高性能和低延迟的代价吧。

XFMExpress:尺寸更小、速度更快

尺寸小和速度快,在存储设备上往往不可兼得。随着技术的进步,人们也在逐渐向这方面努力。以我们常见的SD卡为例,这种典型的小尺寸存储设备读写速度一直比较慢,不太可能和SSD这类可采用PCIe规范的高速设备比肩。不过,近期新的SD卡读写规范开始积极引入PCIe总线,用于大幅度提升数据读取速度。这类产品可以看作从接口、设备端向高速读取发起努力,并有望侵占内置高速存储设备的生存空间。

无独有偶,传统的内置高速存储设备也看到了小尺寸化和外置的优势,也在向这方面努力发展。在FMS 2019上,东芝推出了全新的XFMExpress,其特点是设备尺寸大幅度降低,但同时保持了传统PCIe SSD的规格和特性。

XFMExpress的整体尺寸只有22.2mm×17.75mm×2.2mm,其中存储卡的尺寸只有18mm×14mm×1.4mm,远小于M.2 2230接口的SSD,也小于支持PCIe X4规范、采用BGA接口设计的SSD产品。

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▲发布会上展示的XFMExpress

为了支持PCIe规范和更多的读取通道,XFMExpress在触点上设计非常独特,它不但在传统的读取卡一端设计了两排触点,还在卡身中央部分设计了一排触点。更多的触点能够支持更多的通道数量,因此XFMExpress能够支持PCIe 3.0和PCIe 4.0规范的双通道和四通道方案,最高带宽可达8GB/s。另外,其他的诸如NVMe等技术都可以支持,并且兼容各类3D封装的缓存,也可以兼容多层堆叠封装缓存。

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▲XFMExpress存储卡外观,注意中间的读写接口。

值得一提的是,由于XFMExpress本身金手指触点较多,并且没有明确提及支持热插拔等技术(热插拔的处理可能和SSD热插拔处理相同,需要系统允许并清理缓存数据),因此东芝在插接口设计上采用了卡套式方案,也就是存储卡先插入卡套后,经由卡套的卡子固定并牢固压接在底座上,这保证了XFMExpress在持续使用中的稳定和安全。

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▲ XFMExpress的安装方法

另外,由于高速SSD的读写热量较高,尺寸越小散热问题越难以保证,东芝在设计中也考虑到了这一点,并给出了一些方案,比如XFMExpress的金属卡套可以辅助散热,底座和卡本身也可以承受较高温度,最后则是XFMExpress支持外部散热器设计,能够以辅助散热的方式帮助存储卡稳定运行。

目前东芝展示的XFMExpress产品速度大约在636MB/s左右,作为对比的采用BG4的产品速度为642MB/s,速度基本相当。其他的诸如功耗、每瓦特速度、温度等方面都基本相同。

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▲XFMExpress的性能展示

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▲XFMExpress的应用展示

对于产品用途,东芝表示,XFMExpress速度更快、体积更小且可插拔的特性使其应用范围更广阔、灵活。可以使用在笔记本电脑、嵌入式设备、游戏设备、车载设备等场合,应用空间非常广阔。

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▲XFMExpress的目标市场

可以上网的SSD:直接上网、更自主

对一般服务器用户来说,如果要对SSD的数据进行操作,要么使用一个带处理器的服务器,或者将SSD通过PCIe交换器连接至附近的服务器,在采用类似NVMe-oF协议进行读写,无论哪种方式都非常麻烦,并且离不开服务器本身的支持。

去年在FMS 2018上,Marvell就展示了一款新的转换器,可以实现NVMe到以太网的接口转换,这样一来,支持NVMe规范的SSD就可以直接上网,并且通过NVMeoF协议来访问。这样一来就可以省去相关PCIe转换器和服务器本身的成本,颇为方便。

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▲Marvell之前暂时的转换器

去年FMS上是Marvell单独展示,也许东芝看到了这项技术所蕴含的市场机会,于是和Marvell进行合作,在今年的FMS上,东芝就展示了采用Marvell技术、内置Marvell 88SN2400转换器,外表看起来和普通U.2或者U.3 SSD相同的,但是采用网线连接的存储设备。这样一来,SSD通过这样的连接方式,直接结合专用的交换机产品就可以进行数据的传输、存取了,不再需要服务器的支持,更方便省心。

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▲东芝在会议上展示的外接了以太网的SSD和转换板

东芝展示的可以上网的SSD,采用了东芝96层堆叠的3D TLC颗粒,缓存为128GB DDR4,SSD总容量为8TB,拥有2个25Gbps的以太网接口。不过目前的产品采用的是SSD搭配外置转换器的方式存在。

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▲东芝展示8TB SSD

Marvell还在设计一款名为“88SS50000”的新的主控芯片,可以直接搭配SSD使用,直接实现NVMe-oF到以太网的转换,不再需要外置转换器,SSD可以直接搭配网络接口出货,更方便。当然,从技术上来看,这款新的主控芯片只是将SSD内部的PCIe控制器改换成以太网控制器,整体设计难度应该不算太高。

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▲Marvell即将推出的原生支持以太网的控制芯片

东芝计划在今年开始向商用用户推广这款产品,依靠其网络连接的特性和不错的性能,想必这款能上网的SSD应该能得到不少用户的青睐。

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▲目前使用PCIe总线通道的所有存储设备一览

PLC技术袭来:成本更低、速度更慢、容量更大

东芝在展会上的发布可谓精彩纷呈,既有采用高端SLC的高速产品,又有采用主流TLC的大容量产品。如果说这些产品还算“顺理成章”,那么在TLC之后、QLC还没到来之前,东芝又宣布了PLC的研发计划,令人惊讶。

说起PLC,就不得不提及TLC、MLC等目前主流的SSD颗粒数据存储方式。SSD颗粒存储目前有SLC、MLC、TLC、QLC、PLC五种,这五种产品一次可以读写的数据数量分别是1bit、2bit、3bit、4bit和5bit,相对应的NAND浮栅中电荷状态数量分别有1、4、8、16、32这几种。看起来似乎读写数量越多速度会越快,但实际上,由于电荷状态增多,控制难度越来越高,并且过多的电荷状态对NAND颗粒的寿命有比较大的影响。

此外,由于电荷状态多,数据读取的时间也变得更长,速度也会更慢。在主控芯片设计上,PLC这样的产品由于电荷状态高达32种,因此对主动芯片也提出了更高的要求,周边电路设计要求也会更高。

不过,相比TLC而言,PLC能够在相同的面积、晶体管密度等条件下,大约提升66%的数据存储密度,这才是东芝看中PLC的原因。因为一些用户对数据存储时的读写速度要求不高,但是对容量要求比较高,这也是PLC可能存在市场空间的原因。

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▲东芝计划推出支持PLC技术的NAND产品

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▲东芝计划推出支持高级BiCS技术的存储芯片

技术实现方面,东芝也表示,通过诸如NVMe协议中的ZNS分区命名空间以及专门的读写优化、数据回收以及均衡摩擦设计等,PLC产品还是能够保证使用的安全和稳定的。另外,东芝也在开发混合分割式3D存储工艺,可以混合PLC和QLC,尽可能高地提高数据存储密度。

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▲东芝未来产品的路线图

三星和SK海力士:堆得更高、容量更大

说完了东芝,再来看看其他家。在FMS 2019上,三星和SK海力士都展示了自家堆叠层数超过100层的高密度3D存储芯片。三星宣称自己的100层以上的NAND芯片拥有6.7亿个硅通孔,比上代的9.3亿个大幅度减少,这样可以带来更小的芯片体积。三星还给出了基于高密度堆叠技术的256Gbit TLC NAND的250GB SSD产品,采用的双层堆栈设计。另外,三星还宣布将在一年以内推出三层堆栈的芯片,这款产品的堆叠层数将超过300层,单颗容量大约为512Gbit。

除了三星外,SK海力士也展示了超过100层堆叠的产品。实际的芯片采用了128层堆叠并且在闪存单元下封装了外围电路,这样可以进一步节省芯片的面积并缩小实际产品的体积。在封装技术方面,SK海力士展示了采用8个裸片堆叠封装、总容量为1TB的存储模块,其厚度仅为1mm,尺寸也仅为11.5mm×13mm,几乎和传统的NAND芯片一样大。

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▲SK海力士宣称要推出800层堆叠的NAND产品

在市场行情方面,三星和海力士等企业都认为NAND市场将迎来复苏。由于近期NAND市场产能高出市场需求不少,加之人们估计的一些大容量存储设备对NAND的需求没有显著增加等原因,NAND市场目前处于明显的供过于求状态,价格更是一跌再跌。

在这种情况下,三星坚持市场是有周期的,并且复苏即将到来,但是对具体的时间无法给出详细的信息。一些分析师也指出,NAND市场正在迎来拐点,比如今年第三季度的NAND价格出现了小幅度上涨趋势,这可能是一个比较重要的信号。

中国技术专场:自主设计成为主流

FMS的中国专场也是非常重要的一个技术交流场合。今年国内多家厂商在中国专场上展示了新的技术和产品。比如兆易创新展示了闪存在AIoT设备上的一些应用,包括智能植入技术,物联网设备在安全性和可靠性上有更好的表现。得一微电子展示了新的控制器设计理念。腾讯云展示了一些云存储方面的配置和存储介质相关的新技术。华澜微电子展示的全新的磁旋存储器MRAM的研发进展。中科院的专家则带来的是新的Resistive Random Access Memory也就是阻变式存储器的研发进展和实验成果。

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▲FMS上的中国技术专场,其中多家企业在现场展示了自己的新的技术与产品。

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▲内厂商忆恒创源也就是Memblaze推出的PBlaze X26系列产品,采用了东芝最新的XL-Flash技术。

不过相比一些国际大厂的技术和产品推介而言,中国技术专场更为偏向设计和专业人员,因此资料不是很多。本刊也将在未来收集更多的资料后为大家带来中国技术专场的技术介绍。

总的来看,本次FMS 2019上,业内以东芝为代表的厂商还是带来了不少新的技术和应用,为我们展示了未来NAND存储发展的方向和可能出现的应用场合,尤其是以太网SSD、PLC产品以及更强大、层数更多的堆叠颗粒的生产,都颇为令人振奋。希望这些新技术和新产品能够早日上市,使得人们的生活更加方便和多彩。

 


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