三部曲---双盘奇谋

发布时间:2016-10-21


    最近在科技行业中,固态硬盘(SSD : Solid State Drive)一直是市场上很热门的话题;在半导体制程不停地进步下,NAND Flash的每GB价格也来到甜蜜点(sweet point),而从下面表中的数据(SSD Shipping Qty)可以观察到,这个趋势仍旧在上升中,而且成长动能很强劲。其中有两大类的SSD:Client(消费级) SSD和Enterprise(企业级) SSD。

上表为SSD Shipment Qty (Data by TrendFocus ~2016Q1)
    
    消费级SSD的成长动能主要来自PC(个人计算机)和NB(笔记本电脑)的应用;而因为价格和性能的性价比愈来愈理想,故SSD逐渐在取代HDD已然是进行式;另企业级SSD则是拜智能型手机的流行以及因特网和互联网的发达,再加上人们的生活习惯改变,渐渐的将科技融入生活,例如使用各式各样的APP(支付宝/Wechat/百度etc),从而开始产生大量的数据(Data),再加上云端计算(Cloud Computing)的兴起,对IO效能和速度愈来愈要求,SSD也逐渐成为数据中心(Data Center)中使用最多的储存装置(storage)了。
   
    今天的这篇文章主要和大家说说消费级SSD和企业级 SSD的区别,让大家更认识和了解SSD。

名称上的定义
    为了要回答这个问题,我们首先从名称上的定义来看。
消费级 :就单字上的意思是顾客、客户,泛指一般的消费者,所以消费级别通常会用这个单字。
企业级: 就单字上的意思是企业、公司,所以从这两个单字字面上的意义,我们就可以很清楚地知道其最主要的差别是应用的对象不同。

JEDEC的定义
JEDEC即固态技术协会是微电子产业的领导标准机构,我们来看看它对消费级和企业级 SSD上的定义有何不同。

上表为JEDEC data

1. 运行模式: 企业级SSD要求24小时7天的持续操作
2.工作负担:企业级SSD要求持续不停的工作
3.写入行为:企业级SSD要能负担起比较大量的写入
4.磁盘区域:企业级SSD几乎是全盘都会随机执行不会区域性
5.成本考虑:企业级SSD要求数据完整性可靠度大于成本
    JEDEC对这两类SSD的定义,主要是因为应用的场景不同造成对SSD的要求也会不同;消费级SSD主要是使用于PC/NB,大部分的情况下是一台SSD当成主要碟(OS)使用或者数据碟(Data)使用,这样的场景下,一般的工作状况是使用8小时,而且是比较轻负荷的工作量,通常拿来当成文书机、上网机、游戏机或者看电影听音乐,所以对SSD的可靠性就不会要求特别高,反而因为是消费性电子,对成本要求比较高。
    我们同时也可以参考宝存科技对其企业级SSD的要求来了解。

企业级SSD对质量要求更加严苛
    从上述JEDEC以及宝存科技对企业级SSD的要求,可以看出企业级的SSD在各项标准与质量,与一般消费型SSD相比之下要求更高;从闪存的角度看,企业级SSD大部分使用SLC/eMLC/MLC Flash,消费级SSD使用MLC/TLC Flash;但随着ECC的能力进步以及企业对于成本的考虑再加上3D NAND的发展,之后的企业级SSD也会开始使用eTLC的闪存。
消费级SSD选择顺序:价格 > 容量 > 效能 > 数据可靠性
企业级SSD选择顺序:数据可靠性 > 效能 > 容量 > 价格 
    接下来针对SSD的寿命、SSD的效能、SSD的可靠度和成本更进一步的说明消费级SSD vs 企业级 SSD的差异性。

SSD寿命 (endurance)

    Endurance指的是SSD的寿命,SSD从买进后,使用者可以使用多长的时间; 而会影响SSD的寿命其主要的因素是使用者总共写进了多少量的数据进入SSD中的闪存;对企业级SSD来说Endurance一般用TBW (Total Bytes Written)或 DWPD (Drive Write Per Day)来表示,所以一般企业级SSD的厂商都会对其销售的SSD标示其寿命是多少TBW或者DWPD是多少,常见的DWPD数字从0.3/1/5/10都有;其数字愈大代表着SSD的Endurance愈好。
企业级 SSD对比消费级SSD有着更高的 endurance

SSD 效能(performance)

    消费级SSD和企业级SSD的效能和比较机械硬盘而言,都能提供非常优异的使用者体验,根本原因请读者可以参考宝存科技过往几篇文章;特别是在IOPS和 Latency会有极致的差异性,而这两个参数在消费级SSD以及企业级SSD上其行为和要求也不太相同。
    因为这两种SSD在应用场景上的根本差异,导致对IOPS以及Latency有着不一样的要求;一般而言,消费级SSD要求能让使用者大部分时间都能感受到极速的效能,因此其Max performance会是比较在意的,而因为大部分个人计算机使用下,SSD会有比较多Idle(空闲)的时间,这个时候,固件便可以主动性的去多做GC(Garbage collection),收集更多空余的BLK,以让使用者在下次使用时,有更好的速度体验;但这一点在企业级SSD反而是比较不重要的,企业级SSD在意的是效能和延时的一致性(consistency)为优先。
    企业级SSD主要是被设计用于服务器中使用,通常会装置12/24/36等不同数量的SSD于同一台服务器中,承载着一周7天,一天24小时持续3年或5年的高压性工作,而且为了不让客户端(End User)在接受服务时会有很大的差异感(有时处理速度很快,有时速度很慢,会卡),因此SSD的效能和延时的一致性,这个特性的重要性便被张显出来,所以在设计企业级SSD时,其固件(FW)中的特别动作,例如GC(Garbage collection),FTL update, wear levelling等行为,便得经过特别的设计,才能在性能的表现上达到较好的一致性。简单一句话来说就是,企业级SSD的效能因为一致性好,所以效能可预测性高(predictable).
企业级 SSD对比消费级 SSD能提供可预测性高的效能

SSD 可靠度(reliability)

    SSD可靠度对比于机械硬盘而言,就组成的零件来看,是有着比较好的可靠性的,其根本的原因在于SSD是半导体电子零件设计而成,而不是早期的物理机械装置,所以在Shock和Vibration上,SSD对比HDD能容忍更高,在温度和湿度上也会有比较好的可靠性。
    通常SSD的制造厂商在定义SSD的可靠性会采用MTBF(Mean Time Between Failures),这是一个时间长度,用以表示在平均经过多久时间的操作使用下,其产品会发生有零件故障;这个MTBF要经过厂商内部的RDT测试,经由一套比较严谨的公式和真实的实验数据所得到的。
    就目前市面上的SSD来看,一般而言消费级SSD的MTBF大概在1~1.5 million Hours(百万小时),而企业级SSD则能提供1.2~2 million Hours,的可靠度,而为何企业级SSD能提供高于消费级SSD更高的MTBF,是因为企业级SSD为了可靠度,而增加了更多的特性,例如:掉电保护(power lose data protection)、高温降速(thermal throttling)等设计。
企业级SSD对比消费级SSD能提供更高的可靠度

SSD 成本(Cost)

    SSD的制造成本主要是在用料上,讲的更粗略一些就是闪存为主,因为其约占了整个SSD BOM成本的80%~90%。
    在消费级的SSD目前就市面上来看常见的容量为128GB/256GB/512GB/1024GB等,而企业级SSD常见的为400GB/480GB/800GB/960GB/1200GB/1600GB/1920GB等;这里面最主要的差异点在OP的大小;企业级SSD为了更高的可靠度和效能一致性,所以会采用更多的OP策略,因此其在成本上也会比较高,再加上企业级SSD有掉电保护,其设计的电路和电容也是增加了成本;另一方面在产品的验证和质量确保上,企业级SSD也需要更多的研发费用来支持。
    而在主料,闪存的种类(SLC/MLC/eMLC/TLC/eTLC)选择上,也因为企业级SSD要求更高的Endurance,所以在用料的选择,也会使用more Endurance的闪存ex. eMLC/eTLC.这在成本上相较于消费级SSD选择MLC/TLC而言,也是会比较高。
企业级SSD对比消费级 SSD成本更高

    以上简单的介绍消费级SSD和企业级SSD的不同,让大家可以比较清楚明白;这边同时也要打个小广告,宝存科技近几年在企业级SSD也累积了不少经验,对于如何实现可靠度更好,性能更佳的企业级SSD,宝存科技有这自己的一套,相了解更多更牛逼的信息,欢迎大家时常观注宝存科技,谢谢大家。