什麼是Very Read Optimized Solid-State-Drives (VRO SSD) 呢?

2020/06/16

2020年5月份開始,各位可以在HPE 伺服器產品規格中,看到一款新式的固態硬碟 – Very Read Optimized Solid-State-Drives 簡稱VRO SSD。那麼,什麼是Very Read Optimized Solid-State-Drives (VRO SSD) 呢?
Very read optimized (VRO)其實是HPE的產品用語,用來區別使用QLC 3D NAND閃存技術的新一代SATA固態磁碟。
不過,翻譯成「非常讀優化固態磁碟」好像怪怪的,那就先翻成「充分讀取優化型固態磁碟」吧!

(圖1)

從(圖1)可以看到,NAND Flash 已經發展到了第四代,甚至下一代的PLC過不久也即將問世。

第一代 SLC (Single-Level Cell)每單元可儲存 1 Bit/cell 數據,也就是只有0、1兩種電壓變化,結構與電壓控制簡單、快速,反映出來的特色就是壽命長與優異性能,可接受 10 萬次編程/擦寫循環,缺點是因為1個Cell只能存1Bit,容量低,成本較高。

第二代 MLC (Multi-Level Cell)每單元可儲存 2Bits/cell 數據,電壓有00,01,10,11四種變化,相對於SLC,結構與電壓控制變複雜了,寫入與可靠效能降低,可接受約 1 萬次編程/擦寫循環。

第三代 TLC (Trinary-Level Cell)每單元可儲存 3Bits/cell 數據,電壓從 000 到 111 共有8種變化,架構更複雜的情況下,性能、壽命變得更差,只能接受約 3 千次編程/擦寫循環,但是好處是容量可以更大,成本可以更低,是當前最普及的產品。

第四代 QLC 每單元可儲存 4Bits/cell 數據,電壓從0000到1111更達到了 16 種變化,與TLC相比,性能、可靠度再下降一級,只能接受 1000 次編程/擦寫循環,但是容量往上提升33%,成本也更低。

從上面幾種閃存技術不難發現,閃存技術的儲存原理,就是每Cell的儲存訊息越多,單位儲存面積容量就越大,但同時電壓狀態也越多,越難控制,導致穩定性越差,壽命也越低。
雖然QLC閃存技術在先天架構與基本原理上存在著侷限,但由於現今的技術(如:3D NAND)與製程較早期成熟也更先進,應用在產品上其實品質不像預期的那麼差,而在可用容量上卻是大幅提升。

以前文美光QLC閃存的例子來說,可接受1000次 編程/擦寫 的循環,代表一顆1.92TB QLC-NAND SSD的總編程/擦寫量約為1920TB(1.92x1000) ,如果每天寫入100G資料,大概壽命為53年!!!
{[(1920x1000) ÷100] ÷365},最差狀況讓個十倍也有5.3年壽命,何況實際上,大部分的企業不可能每天寫入100G資料,而容量越大的QLC-NAND SSD用上面的算法來看就越有優勢了。

其實,QLC閃存技術的定位並不是用來取代TLC閃存,而是傳統機械磁碟。
與傳統3.5英吋的硬碟相比,QLC閃存技術可以帶來許多好處:

1. 加快以讀取為重點的工作負載
跟傳統HDD來做比較,SSD基本上在讀取上是幾乎沒有損耗的,而傳統HDD則不論讀/寫都會基礎的磨損:

(圖2)
2.支持新興技術與架構的應用
適合大量讀取的負載工作如下表,甚至最近在VSAN的應用上也可以將QLC閃存當作資料存放層來使用(QLC 1.92TB)


(圖3)
3.拉近處理器與關鍵數據的距離
傳統的HDD受其物理設計的限制(旋轉碟盤,物理磁頭來回移動),QLC(和其他閃存技術)不需要這些動作,這將更快讓處理器獲得並處理數據,不須等待這麼長的時間,使我們能夠更快地處理、學習數據並從中獲取價值。

(圖4)
4.減少機架空間與冷卻的要求
這裡使用2U高度的空間來舉例,使用傳統HDD依據效能與可用容量的規劃大概如以下二種配置

(圖5)
但如果改用目前伺服器能採購到的7.68TB QLC-NAND SSD,則可以兼顧效能並提供更高儲存密度,未來更高密度的產品一旦出現,這樣的優勢也將更明顯。
(圖6)

至於SSD相對於HDD在冷卻與電力功耗上的比較,已經有很多比較資訊就不再贅述了。
最後我們再回到一開始的話題HPE VRO SSD上,在目前官方的適合應用上,與前面提到的大同小異,須注意的是SSD DWPD(每日全碟寫入次數)上,官方提供的數據為0.05-0.8區間,以1.92TB的VRO SSD來說,可接受編寫/擦除次數為700次,DWPD在100% 4K隨機寫入模式下為0.2。
其他相關資訊如下:
Read IOPS
    Random Read IOPS (4KiB, Q=16)=51,000
    MAX Random Read IOPS (4KiB)=63,000@Q64
Write IOPS
    Random Write IOPS (4KiB, Q=16)=12,600
    MAX Random Write IOPS (4KiB)=13,000@Q1

(圖7)

以HPE SATA VRO SSD為目標的工作負載,最理想的是80%以上讀取與20%以下的寫入操作,如果寫入行為是循序128K block為單位的話,這將允許所有VRO SSD支援0.8 DWPD耐久度。

但是,如果VRO SSD的使用與目標不同,則DWPD會根據驅動器的寫入方式而有所不同。
如果使用不當,例如100%的4K隨機寫入工作負載,則DWPD耐久性將降至:1.92 TB上為0.2;在3.84 TB上為0.09,在7.68 TB VRO SSD上為0.05。

從下表中可以看出,必須在已知寫入特性的正確工作負載和環境中使用HPE SATA VRO SSD,否則由於該技術的耐用性而可能導致客戶不滿意的風險。

(圖8)

請注意,VRO SSD目標是以讀取80寫入20比例為主的目標工作負載為主,這裡就每日全碟寫入耐久度來探討,強調的是須注意應用程式的寫入模式與適合環境,看起來雖然是不盡滿意的數值,但別忘記一開始提到的建議適合使用環境與實際應用下的優勢!!

其實,在看完前面的閃存技術說明後,不難發現容量越大的閃存,DWPD數值理論上不高也是正常,以HPE 1.92TB的SATA VRO SSD來看,即使最差的應用環境下0.2 DWPD,代表了在保固期內每天平均寫入1920 x 0.2 =384GB 的資料量以內都是沒問題的,何況前文有提到,企業每天寫入資料超過100G的少之又少。

傳統DWPD數值的判斷標準雖然可以做為採購前的考量,但這樣的數值隨著容量越來越大的閃存出現,如果實際在企業應用,就像前面提到的,很容易會超估企業實際需求;
以下面美光的企業需求DWPD數值趨勢圖來看,大約75%的企業使用者都超估了實際應用需要的每日全碟寫入量數值,隨著的閃存容量日益增加,針對DWPD數值需求在未來將越來約低。
(圖9)

固態硬碟從SLC、MLC、TLC、QLC不同快閃記憶體規格一路走下來,效能或許也是一種考量,但在價格走低,相關製程與技術等方面成熟後,QLC很有可能會像當初TLC那樣成為大勢之所趨。
每種產品都有其定位,只要在性能、容量、壽命與價格上滿足需求,它就是個優秀的產品。

(圖10)

資料來源: Micron美光
 

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