QLC SSD大规模涌入数据中心，为HDD敲响落幕钟声

美光近日发布的2020年第三财季（2020年3月-2020年5月）财务报告数据显示，其营业收入54.4亿美元，环比增长13.4%，同比增长13.6%；净利润9.4亿美元，环比增长82%。毛利率由上个财季的29.1%提高到本财季的33%。

业绩超预期的背后功臣之一，是服务器市场的强劲需求。第三财季，美光固态硬盘（SSD）收入创季度新高，尤其是数据中心和云端SSD收入环比增长两倍，云端DRAM销售收入也环比大幅增长。对于下半年走势，美光方面预计，数据中心需求仍将保持健康发展态势。同时，下一代新款智能手机、游戏机以及其它消费电子产品的陆续推出，将极大推动DRAM和NAND的增长。

数据中心需求持续旺盛

美光存储产品事业部企业级固态硬盘产品首席技术市场工程师Doug Rollins在接受《电子工程专辑》专访时表示，尽管受到新冠病毒疫情的影响，但来自数据中心的需求仍然源源不断，同时，5G商用也促使全球消费者和企业数据访问出现了快速变化。Canalys的数据显示，2020年Q1全球云计算资本支出增长34%，达310亿美元，创历史新高。根据Omdia的数据，2020年Q1全球服务器出货量为330万台，同比增长超过30%，创下了有史以来第一季度的最高纪录，预计2020全年出货量达1,290万台，比2019年增长8.3%。

美光存储产品事业部企业级固态硬盘产品首席技术市场工程师Doug Rollins

“很显然，一些过去需要2至4年时间才能形成的趋势已经加速，被缩短到几个月了。”他说，从长远来看，很容易看出这些变化将促使内存和存储被更加大量地使用，经济领域数字化转型的快速推进还将持续下去。

在新冠病毒疫情的背景下，包括电子商务、游戏和视频直播在内的在线活动显著增加，远程办公和在线学习等趋势正在改变人们的工作和教育模式。因此，越来越多的数据中心运营商不断加大数据中心容量，以应对远程工作模式的兴起和通信数据量的激增。重要的云和企业客户对存储产品有着强劲的需求，部分原因是云市场持续走强、电子商务等在线资源的使用增加，以及远程工作的激增。特别是在中国，更多的数据中心和5G基础设施建设正在兴起，这些都是新宣布的“新基建”项目的一部分。

QLC SSD的魅力

自2018年推出，5210企业级SATA SSD就成为美光征战数据中心市场的利器之一。它通过了VMware vSAN认证，迅速取代传统900GB至1.2TB 10K机械硬盘(HDD)，并为全闪存vSAN迁移提供最经济高效的方式，是其价值所在。

打算在数据中心中采用QLC NAND技术的显然不只有美光一家，三星、英特尔等头部玩家都在跃跃欲试。那么，QLC NAND的魅力究竟来自哪里？

先做一个形象的比喻，如果把闪存芯片中包含的Cell 看成一个房间，进去的人多了，就可以扩大更多的容量。根据存储的数据数量不同，目前分为SLC/MLC/TLC/QLC，SLC存入1bit数据（2种状态）、MLC存入2bit数据（4种状态）、TLC存入3bit数据（8种状态）、QLC存入4bit 数据（16种状态）。为了进一步扩大闪存容量，于是，3D NAND技术开始应用于闪存芯片中。就好比原来的闪存芯片是平房，现在的3D技术让数据住上了高层楼房。单位面积上，储存的数据就成倍增加了。

由最初的SLC发展到QLC，单个存储单元存储的数据从1bit提高到了4bit。这意味着，96层或128层量产的单颗芯片容量就达到了1Tb或以上，远远超过2D NAND 128Gb的容量上限。即将推出的PLC还将进一步提高到5bit，相比QLC容量可再提升25%，再加上144层堆叠，不但堆叠层数相比96层提升50%，容量还可继续翻倍。

尽管100+以上层数的3D NAND正在陆续推出，但目前来看，96层3D NAND仍然是各厂商的量产主力。与64层3D NAND相比，96层的堆叠层数增加了50%，每片晶圆所产出的GB总量大约可提高60%；若采用相同的96层堆叠，QLC较TLC在每片晶圆上所产出的GB总量大约可提高30%以上。这样，在晶圆成本不变的情况下，单位GB的存储成本和SSD整体售价都会持续下降。

不过，尽管QLC NAND闪存技术能够带来更大的存储容量和更低廉的价格，但在稳定性和寿命方面常常会受到质疑。对此，Doug Rollins表示，在商业情报、分析、内容分发、大数据、人工智能和机器学习等应用场景中，当工作负载读取的数据远远多于写入的数据时，其实是非常适合采用标准QLC SSD来替代传统HDD的。

以5210 SSD为例，官方资料显示，与最大的10K RPM HDD相比，采用64层3D NAND的5210的随机读取速度快175倍，随机写入速度快30倍，顺序吞吐量提高2倍，能效提高3倍，其单价可与10K企业级HDD相媲美，且已通过大多数主要服务器原始设备制造商的认证。再加上业界首创的QLC定制固件和960GB SKU，有助于解决QLC耐用性问题和工作负载限制问题，使QLC SSD能够可靠地取代通用服务器和存储设备中的HDD。

其实早在2018年，美光就率先推出了业界首款64层3D QLC，让QLC SSD开始进入大众视野。2020年上半年，新推出的两款客户端SSD 2300系列和2210系列QLC SSD分别采用了96层QLC 3D NAND技术，而即将于2020年下半年量产的新一代RG架构3D NAND层数则达到了128层。按照规划，除了继续保持在企业级SATA市场的领先地位外，美光还将在SSD产品线中引入新的NVMe产品，目前，针对NVMe和SATA市场的下一代产品已经在客户端展开验证。

“随着工作负载的不断发展，为满足对实时数据洞察和分析日益增长的需求，数据中心越来越需要在速度、容量、效率和可靠性上保持稳定，这是企业级闪存能够提供而HDD实现不了的。”Doug Rollins说，关于QLC NAND技术怎样适用于数据中心，市面上确实有着各种各样的观点。尽管一些潜在用户最初担心该技术能否承受数据中心的工作负载，但伴随着市场对QLC需求的持续增长和众多OEM厂商的验证，这些担忧已基本消除。换句话说，QLC技术通过自身的质量和可靠性证明其大规模应用不存在任何障碍。

他举例称，在与一些非常大的OEM平台供应商合作过程中，美光发现客户一方面希望使用5210，但又不能确定最终的工作负载，所以最初比较担心5210可能没有足够的耐用性来支撑平台使用寿命。于是美光对5210采用了定制化方案来解决这个问题，例如增加开发管理写入功能来帮助优化QLC SSD的耐用性。通过监控写入流量强度，5210的IOPS明显优于10K HDD，并保证5210能够满足OEM平台的生命周期要求，从而赢得了客户的青睐，并扩大了5210的市占率。

为不同存储介质架起沟通的桥梁

其实除了NAND Flash之外，数据中心常用的存储介质还包括另外三类：DRAM、HDD和磁盘，结构功能各不相同。考虑到诞生于HDD时代的传统存储引擎无法从架构上为下一代非易失介质提供更高的性能和更低的延迟，为了弥补这一差距，美光专门开发并推出了异构存储引擎（HSE）。

按照Doug Rollins的描述，HSE是第一个开源的异构内存存储引擎，专门针对固态硬盘和存储级内存进行了设计和优化，使开发人员能够根据自己独特的应用需求来定制或者优化其代码，从而为使用现代高速全闪存基础设施的开发人员提供了一个强大的引擎，能够充分发挥高性能存储应用的潜力。

除了提高性能和耐用性外，通过智能数据放置功能，HSE还降低了计算、内存和存储资源之间的延迟，特别是对于大型数据集来说，HSE将特定存储应用的吞吐量提高了6倍，同时延迟降低了11倍。 

HSE还可以同时使用多种介质，例如闪存和3D XPoint技术。当世界上速度最快的SSD——Micron X100 NVMe SSD被添加到4块一组的Micron 5210 QLC SSD中后，整个吞吐量翻倍，读取延迟减小了近4倍，其他性能也得到了改善。

“这个项目让我们振奋，我们相信它将有助于颠覆存储引擎领域，使其更加适应现代闪存基础设施，而不是停留在传统的HDD时代。对我们来说，这个开源项目也是一个重要的示例，证明美光除了增强存储堆栈外，还在软件层面上带来更高的价值。”Doug Rollins说。