北京2023年8月24日 /美通社/ -- NAND閃存作為一種非易失性存儲介質，憑借其功耗低、重量輕、性能佳和斷電后仍然能保存數據等特點，成為比硬盤驅動器更好的存儲設備，非常適合作為便攜設備的存儲器來使用。
固態硬盤（Solid State Disk，簡稱SSD）是以NAND閃存介質為主的一種存儲產品。近年來，由于SSD的低功耗、高性能、穩定安全等優點，使其越來越受到客戶的青睞，SSD也逐漸大量應用于IT運維、金融等行業。
性能vs成本，SSD如何兼得？
一個NAND閃存芯片封裝了若干個DIE（或者叫LUN），由于NAND閃存介質技術的發展，其層數不斷增加，單個DIE的容量也不斷增大，對于相同容量的SSD而言，所需DIE的個數會隨之減少。帶來的好處是，SSD單位容量的成本和價格不斷降低，利好用戶的同時也有利于擴大SSD的使用范圍。但與此同時，DIE個數的減少又會導致NAND讀取的并發度減少，讀性能也會因此而降低。面對用戶日益提高的性能需求，這一缺點又會限制SSD使用范圍的擴大。
通俗來講，SSD可以理解為一個需要接納一定數量居民的社區，NAND閃存芯片相當于其中一個小區，DIE相當于這個小區里的樓棟，Plane（平面）可以理解成這棟樓每個樓層的門戶，每個Plane又分成很多Block（塊），Block則相當于每一戶里的房間數，Page（頁）相當于一個房間里（Block）的人數，而并發度可以理解為樓棟里的電梯，受Bus總線的限制，電梯一次只能載一個人。因為建造技術的發展，每棟樓（DIE）可以由原來的8層樓建造成16層樓，即每棟樓較之前可以多接納一倍的居民，在接納居民數量一定的情況下（相同容量的SSD），樓棟（DIE）的數量則可以減少一半，土地和建造成本則有所減少，房價也會相對比較便宜些，因此會受到購房者的歡迎。但由于每棟樓（DIE）只有一個電梯（并發度），電梯數也隨著樓棟的數量減少而減少一半，對于居民來說，出行效率則大大降低，因此又會抑制購房者的購買意愿。
為了降低這種問題帶來的影響，SSD廠商提出如通過提高電梯的運行頻率來加快電梯的傳輸速率，或由樓管通知同一樓層的人同時準備好出門去電梯口排隊乘用電梯等解決辦法。
當前SSD基本采用Multi-plane（多面）的設計（主流使用4-plane設計，相當于一個樓層有4戶，4戶共用一個電梯，即“一梯四戶”）。隨著技術發展，讀方式由開始的Single-plane read（Single-plane讀）發展為Multi-plane read（Multi-plane讀），即從一開始的一次只能通知一戶中的房間里的1個人準備出門再去乘電梯，發展成同一樓層四戶房間里的4個人同時準備出門去排隊乘用電梯。
此技術對順序讀性能有很大提升，但對隨機讀性能的提升卻乏善可陳，因為順序讀時，好比是樓管按順序坐電梯去每個樓層通知居民準備出門，每次同一樓層的人都可以同時準備出門，大大縮短了準備出門的時間；但當隨機讀時，相當于樓管要先后去不同樓層去通知指定門戶房間的人出門，只能讓先準備好的人先乘用，等前面的一個人乘用完，才能讓另外樓層的人乘用，這和Single-plane讀區別不大。
為了在高順序讀性能的前提下提升隨機讀性能，異步獨立平面讀取（Asynchronous Independent Plane Read，簡稱AIPR）功能應運而生。
AIPR功能旨在提高隨機讀取IOPS，隨機讀時，通過AIPR功能可以增高并發度，提高數據傳輸總線的利用率，從而來提高隨機讀性能。即在樓棟內增加電梯數，在每一列戶門口都裝一個專屬電梯，雖然受Bus總線的限制，樓棟內同一個時間只能用一個電梯，但樓管能在通知完一個樓層的人準備出行后，馬上坐電梯去通知另一樓層的其他列住戶準備出門，每一列戶出門準備時間并行，一旦準備好，即可乘用門口的電梯，提高了電梯傳輸的利用率，從而提高出行效率。
下文通過介紹上述三種讀方式的演進和對比，來介紹AIPR的優勢：
1、Single-plane read
Single-plane read，即一次只讀取一個plane中的位置，示意圖見下圖1中Single-plane read。以4-plane TLC block為例（下文同），因DIE為并發度單位，由于tR（讀操作時間）的存在，此時讀完4個plane需要經過4個tR時間，所有讀操作和數據傳輸串行，讀時延較長且性能較低。為放松此限制，引入了Multi-plane read。
2、Multi-plane read
Multi-plane read，即可以同時讀取多個plane中的位置，如下圖2中Multi-plane read。對Multi-plane read來說，所有plane的讀取操作同時開始，而且每個plane中讀取的位置要求相同。雖然仍是以DIE為并發度單位，但此方式較于Single-plane read，讀操作時間并行，大大縮短了讀時延、提高了順序讀性能。
這種方法對于提升順序讀速度很有效，但對于隨機讀而言，Multi-plane read相對Single-plane read而言幾乎一致。現在為進一步提高隨機讀性能，提出將并發度單位由DIE改成plane，便引入了AIPR功能。
3、AIPR
AIPR功能開啟后，不同plane的讀取操作的時序和位置完全獨立，即不同plane可進行異步且獨立的操作（如圖1或圖2中的AIPR）。通過AIPR，每個plane的讀取操作可以獨立啟動。Data out command（數據輸出命令）也可以在每個plane的讀取操作結束后獨立啟動。
當進行隨機讀時，AIPR的并發度是Single-plane read的4倍（以4-plane為例），并且進行數據傳輸時，AIPR方式的數據傳輸總線利用率更高，對小容量盤的隨機讀性能提升更明顯，如圖1，可發現AIPR功能有明顯的性能優勢。
當進行順序讀時，與Multi-plane read進行對比，AIPR方式的數據傳輸總線利用率也會更高，也具有一定的性能優勢，如圖2 。
隨著3D NAND閃存快速發展，NAND介質的層數和密度越來越高，單個DIE的容量也隨之增高，在盤總容量固定的情況下，DIE的個數則會減少。若仍按照Single-plane read和Multi-plane read的方式讀寫，則盤的總的并發度也會相應降低，導致性能有所降低。相比Single-plane read和Multi-plane read，AIPR通過提高并發度來增高數據傳輸總線的利用率進而提高隨機讀性能，與小容量盤的隨機讀性能提升顯著。
基于存儲即平臺戰略的新一代SSD高速存儲介質
采用AIPR技術的浪潮信息NS8500G2/NS8600G2是定位于高性能的企業級固態硬盤，采用PCIe Gen4.0 x4企業級主控和112L 3D TLC NAND方案，符合NVMe1.4協議，各容量點均具有高讀性能：順序讀性能達到7000 MB/s以上；4K隨機讀IOPS能達到1600K以上，提升至Single-plane read/Multi-plane read方式的3.6倍。新一代SSD高速存儲介質具有單端口和雙端口兩種形態，支持全路徑端到端保護和國內外加密算法，使數據更持久可靠，通過多檔精細功耗調節實現能耗比提升37%。在云存儲、數據庫、人工智能、大數據、物聯網等領域廣泛應用，為金融、通信、互聯網等行業超過700家客戶保障數據安全，實現數據永不丟失。
近年來，浪潮信息存儲持續加大技術研發與產品創新的投入，不斷汲取各生態產業的前沿技術，以精益精造的理念，不懈追求為客戶提供更加極致的性能體驗，充分發揮NAND閃存高效、可靠、綠色的優勢，以創新助推技術產品化，全面釋放數據價值，加速各行業數字化轉型。
