從NAND到SSD，堅信閃存“革命”，英特爾閃存創(chuàng)新加速
作為大會的合作伙伴之一，英特爾也積極參與到了開放數(shù)據(jù)中心峰會的現(xiàn)場交流中。英特爾NPSG應(yīng)用工程部經(jīng)理翁昀在峰會演講中表示，推動NAND技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，英特爾一直助力用戶數(shù)字化加速，釋放存儲潛力，借助閃存技術(shù)的創(chuàng)新推進數(shù)據(jù)中心與企業(yè)用戶降本增效，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的目標(biāo)。
英特爾NPSG應(yīng)用工程部經(jīng)理 翁昀
作為全球閃存技術(shù)領(lǐng)域的資深廠商，英特爾在閃存領(lǐng)域的技術(shù)積累十分廣泛，從NOR Flash到NAND Flash，從32層NAND Flash到64層、96層，再到最新的144層，從SLC、MLC、TLC到QLC，跟隨大數(shù)據(jù)時代步伐，一如既往地聚焦用戶需求變化，加速創(chuàng)新，英特爾堅信，閃存技術(shù)的發(fā)展必然可以在數(shù)據(jù)中心與企業(yè)用戶中發(fā)揮出前所未有的作用。
從NAND到固態(tài)盤SSD
全面聚焦閃存發(fā)展
英特爾對于NAND領(lǐng)域的長期投入，并非心血來潮，而是植根于用戶對于閃存應(yīng)用需求的高漲，更是順應(yīng)閃存行業(yè)發(fā)展的大趨勢。
從IDC或Gartner的相關(guān)報告可以看出，全球存儲器市場規(guī)模已經(jīng)非常龐大，在整個全球半導(dǎo)體行業(yè)中，存儲器市場規(guī)模的增長速度成為了其中最大的亮點。
事實如此，那么英特爾對于從NAND到固態(tài)盤SSD的長期投入，也是十分值得的。
不過，英特爾的這個長期性，長達三十年之久，這是全球存儲芯片領(lǐng)域也是少有的。
早在1980年左右，英特爾開啟了NOR Flash的創(chuàng)新，不過當(dāng)初1.5微米的制造工藝相比現(xiàn)在納米級制程工藝實在是落后了許多，1微米=1000納米，可見芯片制造工藝發(fā)展之快，三十年來可謂日新月異。
2005年，全球先進芯片制程工藝聚焦在了應(yīng)用更為廣泛的NAND Flash領(lǐng)域，從65nm起步不斷向前發(fā)展，當(dāng)前在2D NAND領(lǐng)域可以實現(xiàn)1x nm工藝級別，與此同時，從SLC、MLC、TLC、QLC一路發(fā)展過來，從2D時代邁向了3D時代，NAND Flash堆疊層數(shù)也從32層一直提升到了144層，并且在2020年英特爾就實現(xiàn)了量產(chǎn)。
就此而言，NAND Flash的發(fā)展之所以引發(fā)全球存儲行業(yè)的長期關(guān)注，原因在于NAND Flash在很大程度上決定著數(shù)據(jù)存儲性能與容量的提升，同時對于SSD、存儲陣列的創(chuàng)新帶來必不可少的底層基礎(chǔ)作用。
隨著在NAND技術(shù)上采用三維架構(gòu)帶來了容量與性能的突破，3D NAND就成為了全球NAND Flash廠商的標(biāo)配。從平面結(jié)構(gòu)升級到三維架構(gòu)，借助制程工藝技術(shù)的創(chuàng)新，存儲單元層數(shù)的增加，不僅可以實現(xiàn)在NAND Flash單位面積下更高的存儲容量，同時也標(biāo)志著NAND Flash廠商技術(shù)創(chuàng)新的水平。
在存儲容量與成本方面，英特爾在2016年推出了第一代32層堆疊的TLC NAND Flash。一年后，2017年正式將堆疊層數(shù)翻番到了64層，并同時進入到了QLC NAND Flash領(lǐng)域，從而帶來存儲密度實現(xiàn)約133％的提升。兩年后，2019年正式推出了96層堆疊的QLC NAND Flash，存儲密度再度提升約50％。一年后，2020年推出了144層堆疊的QLC NAND Flash，存儲密度再次獲得了約50％的提升。
從2016年到2020年，在五年時間里，英特爾將NAND Flash單位面積的存儲密度提升超過了四倍，這意味著對于用戶采用的單位成本獲得了成倍的降低。
在QLC NAND Flash領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)力，讓英特爾成為了全球首家出貨數(shù)據(jù)中心、消費級QLC PCIe SSD的企業(yè)，并且在企業(yè)級QLC PCIe SSD領(lǐng)域也迎來了前所未有的成果。
在存儲可靠性方面，針對架構(gòu)、材料、工藝等多個方面進行努力，英特爾三十年來不斷創(chuàng)新優(yōu)化，不斷提升單元可靠性。英特爾3D NAND閃存采用了成熟的Floating Gate浮柵技術(shù)，不同Cell單元之間保持隔離，通過浮動?xùn)艠O技術(shù)存儲電子路徑，可以非常好地防護電荷丟失和單元間干擾。浮柵技術(shù)通過隧道氧化層控制電子流動，獨特的垂直全環(huán)繞柵極結(jié)構(gòu)可以讓每個單元提供的電子數(shù)接近平面浮動?xùn)艠O的6倍，更多電子容量還意味著可以讓存儲單元受到少量電子泄漏造成的電壓變化的影響更低。
為此，英特爾獨特的浮動?xùn)艠O技術(shù)可以實現(xiàn)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的面密度，更小的單元尺寸，預(yù)計比替代性技術(shù)小大約15%。而且英特爾的陣列下CMOS具有業(yè)界少有的獨特性，不會浪費空間，可以在幾乎每平方毫米晶圓上制造更多存儲單元。這兩項技術(shù)結(jié)合起來，使得面密度比替代性產(chǎn)品高10%。
當(dāng)然，英特爾對于NAND Flash技術(shù)創(chuàng)新的追求永無止境，QLC之后便啟動了PLC研發(fā)，浮柵架構(gòu)的QLC為PLC的產(chǎn)品化提供了可行性。PLC NAND Flash的每個單元可以存儲5個比特，形成多達32種狀態(tài)，如SLC、MLC、TLC、QLC的NAND Flash每個單元可以存儲1個、2個、3個、4個比特，可以形成2種、4種、8種、16種狀態(tài)。可見，未來PLC NAND Flash的量產(chǎn)成功也將是一個劃時代的標(biāo)志。
在存儲性能方面，創(chuàng)新的浮動?xùn)艠O架構(gòu)結(jié)合陣列下CMOS技術(shù)，沒有Cell開銷，也改變了Cell配置，對存儲容量和性能都帶來很好提升，很大程度上助推了SSD的行業(yè)應(yīng)用普及。
此外，基于閃存技術(shù)和架構(gòu)創(chuàng)新的不懈追求，英特爾還采用了獨立多平面讀取操作（IMPRO）技術(shù)，通過將四個平面分成兩個可以異步讀取的雙平面組，從而使讀IOPS增加了一倍。
聚焦閃存發(fā)展，有了在NAND Flash領(lǐng)域近三十年的創(chuàng)新積累，自然也有助于英特爾在企業(yè)級SSD產(chǎn)品上實現(xiàn)長期創(chuàng)新。為此，直面用戶需求，英特爾在NAND和SSD兩個領(lǐng)域都保持著全球領(lǐng)先地位。
精品打造QLC
144層3D NAND來襲
從2017年開始，QLC經(jīng)過64層、96層的技術(shù)積淀，到了2020年正式亮相144層QLC的3D NAND Flash產(chǎn)品。對于英特爾而言，在QLC路線上為何如此堅持？
原因很簡單，隨著用戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級的加速，對于應(yīng)用加速帶來的數(shù)據(jù)存儲性能支持有著更高要求，QLC歷經(jīng)實踐與技術(shù)的磨礪，在企業(yè)級領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟起來，同時立足QLC的3D NAND打造企業(yè)級閃存的先進應(yīng)用，不僅性能上擁有比HDD更明顯的優(yōu)勢，同時在每GB成本上也讓數(shù)據(jù)中心和企業(yè)用戶動心。
經(jīng)過英特爾不斷打磨，QLC的3D NAND Flash已經(jīng)在平均故障間隔時間、平均溫度、質(zhì)保壽命、不可修復(fù)錯誤率(UBER)、數(shù)據(jù)持久性等質(zhì)量與可靠性指標(biāo)上看齊TLC，并且兼容同樣的集成電路設(shè)計，簡化了升級換代的技術(shù)復(fù)雜性。
相比2018年64層堆疊的QLC 3D NAND Flash，最新的144層堆疊在可靠性、最大寫入量上已經(jīng)提升4倍，讀取負(fù)載QoS提升最多50％，底層寫入性能提升最多40％。
基于144層3D NAND的SSD已經(jīng)成為2021年主流產(chǎn)品，最高容量達到32TB。其中面向企業(yè)級的英特爾SSD D5-P5316和面向消費級的670p系列獨具行業(yè)代表性。
D5-P5316推出了U.2 15mm和E1.L兩種形態(tài)，后者最大容量高達30.72TB，主要面向熱存儲而優(yōu)化。持續(xù)讀取性能最高為6.8GB/s，比上代D5-P4326提升2倍多，4K隨機讀取最高800K IOPS，比上代提升38％。壽命方面支持3000次編程/擦寫循環(huán)，30.72TB型號的終身最大寫入量為18940TB，是上代的4倍多。
英特爾面向主流消費級市場正式推出了670p系列固態(tài)硬盤，包括512GB、1TB、2TB這三種容量版本，能夠為電腦用戶們在日常辦公乃至游戲娛樂過程中帶來出色的存儲性能。
由D5-P5316和670p系列產(chǎn)品可以看出，英特爾QLC 3D NAND固態(tài)盤還可提供密度優(yōu)化與媲美TLC的讀取性能，有助于企業(yè)組織大幅降低讀取密集型存儲工作負(fù)載的資本支出(CapEx)。對于大多數(shù)現(xiàn)代工作負(fù)載部署，QLC NAND固態(tài)盤可提供富余的耐用性。
一方面，英特爾QLC NAND的實際耐用性超出了傳統(tǒng)認(rèn)知和理論限制。
二方面，QLC NAND固態(tài)盤具有更大的容量，能夠?qū)⒛p分散到更大的區(qū)域。
三方面，大多數(shù)固態(tài)盤在使用的全程，只會消耗一小部分額定的固態(tài)盤壽命。
通過三十年的浮柵架構(gòu)技術(shù)積累，英特爾不僅打造出了144層QLC 3D NAND Flash業(yè)界精品，而且也構(gòu)建了一款毫無妥協(xié)的解決方案。此外，英特爾QLC 3D NAND固態(tài)盤滿足聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會 (JEDEC)的所有要求，從而將QLC 3D NAND閃存應(yīng)用推向更廣泛的行業(yè)領(lǐng)域。
多形態(tài)SSD發(fā)展策略
加持?jǐn)?shù)據(jù)中心與企業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新
誠然，數(shù)據(jù)中心與企業(yè)用戶的數(shù)字化創(chuàng)新之路，切實存在不同的應(yīng)用場景以及對于SSD的不同應(yīng)用形態(tài)。為此，憑借英特爾固態(tài)盤優(yōu)勢，以及在PCIe Gen4 SSD上的發(fā)展策略，在2020和2021年連續(xù)發(fā)布了多款SSD產(chǎn)品。
在2020年底，一口氣批量推出了六款SSD產(chǎn)品：采用144層TLC NAND的數(shù)據(jù)中心級NVMe SSD D7-P5510、采用144層QLC NAND的數(shù)據(jù)中心級NVMe SSD D5-P5316、采用144層QLC NAND的客戶端消費級NVMe SSD 670p、采用第二代3D XPoint的數(shù)據(jù)中心級NVMe SSD Optane SSD P5800X、采用144層QLC和3D XPoint的客戶端消費級NVMe Optane持久內(nèi)存H20、采用3D XPoint DIMM的Optane持久內(nèi)存300系列（代號Crow Pass）。
其中，采用QLC閃存技術(shù)的D5-P5316 SSD獲得了2021ODCC產(chǎn)品大獎。
在2021年，企業(yè)級SSD方面，面向云存儲應(yīng)用加速的144層TLC的D7-5510在2021年上半年已經(jīng)批量出貨。D7-P5510采用2.5英寸U.2形態(tài)，容量3.84TB、7.68TB，值得一提的企業(yè)級特性包括了支持改進的健康監(jiān)控與管理、動態(tài)多重命名空間、針對云負(fù)載優(yōu)化的新算法、端到端數(shù)據(jù)保護、意外掉電保護、企業(yè)級安全等。
針對溫存儲優(yōu)化的搭載144層QLC的D5-5316在2021年第二季度已經(jīng)批量發(fā)售。2021年7月7日，發(fā)布了用于傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用的SATA接口的搭載144層TLC的D3-S4520和D3-S4620。
由此而言，多形態(tài)SSD，有助于加持?jǐn)?shù)據(jù)中心與企業(yè)用戶的數(shù)字化創(chuàng)新。基于過去三十多年的閃存技術(shù)積累，英特爾堅信閃存“革命”已經(jīng)到來，也將持續(xù)投資，以促進并加速存儲解決方案創(chuàng)新。
（by Aming）
