浪潮信息企业级SSD：如何在PCIe生态下，提升NAND信号质量

近年来，随着NAND接口速率越来越高，如何保证信号高速传输下的完整性和传输速率成为NAND厂商要面对的首要问题。浪潮信息企业级SSD通过对端接和电路的技术创新，全面提升NAND信号质量。此外，凭借主要部件的创新设计，支持加密算法和标准日志接口，降低客户TCO的同时提供高运维效率等优势，助力企业加速数字化转型。

PCIe接口与NAND闪存盘

外围组件快速互联(peripheral component interconnect express，简称PCIe或PCI-Express)，是一种高速串行计算机扩展总线标准，使用PCIe接口与计算机连接的固态硬盘、显卡、网卡等外设因其数据传输速度高、带宽大的特点，从而具有更高的数据传输效率。

通俗来讲，就是在“主机”和“SSD盘”两座城市间建立一条名为“PCIe”的高速公路，相比于普通公路，运输数据的车辆不仅可以跑得更快，能使用的车道也更多，自然每时每刻有更多的数据来往于两座城市之间。近年来，PCIe技术已经成熟，较之传统硬盘的性能迎来新的飞跃，但同时也为携带数据“车辆”的可靠程度——NAND信号的传输质量带来更严峻的考验。

目前市场上主流SSD均采用四通道PCIe4.0传输，根据PCI标准组织——PCI特别兴趣小组（PCI-Special Interest Group，简称PCI-SIG）给出的定义， PCIe4.0标准的单通道传输速度为每秒二十亿字节（2GB/s），相当于1秒钟完成一部高清电影下载，即理论上四通道最高能够实现每秒八十亿字节（8GB/S）的传输速度。

如今，SSD盘的容量已经突破32TB（1TB=1000GB），更大容量的SSD盘将使用更多的NAND，这就意味着“PCIe高速路”上来自不同“NAND城市”的车辆越来越多，携带不同“牌号”的车辆越来越多地汇入同一条高速路。随着传输数据的信号种类和频率增加，如果不采取必要处理手段，信号质量在多种高频信号相互反射的影响下就会越差，进而降低数据传输速率，最终导致SSD盘无法完全发挥PCIe技术的速度优势。

那么“质量好”的车应具备哪些硬件和软件方面的特点？

其一，车身坚固——即高信号强度，在各种路况（电压）、天气（温度）下正常行驶，支持高速度（频率）行驶，在发生事故（信号反射）时仍能保证将乘客（数据）安全送达；

其二，速控灵敏——即信号波形稳定无扰动，能够在高速车道（高频）和低速车道（低频）灵活切换，同时在同一车道上车距（相位）保持有序，连续的信号波形无抖动和串扰。

如何提高NAND信号质量？

由于NAND闪存颗粒（NAND Flash）接口速率越来越高，由每秒百万比特发展到每秒十亿比特，NAND厂商想出了各种办法来解决高速信号带来的信号完整性问题。例如改变NAND驱动与端接方式，以及在初始化时通过硬件手段对NAND某些电路引脚进行特殊处理，即进行ZQ校准（ZQ Calibration）、DQ读写训练（Read DQ Training、Write DQ Training）和使能信号占空比训练（DCC Training）等。在SSD固件开发中，可以基于不同的需求充分利用这些特性，通过增加相应功能来提高NAND信号质量。

第一，改变NAND端接方式。

端接，即一种消除信号反射的方式。片内端接（On Die Termination，简称ODT） 就是将端接电阻移植到了NAND内部而非PCB。

目前常用的端接主要有Target ODT、Non Target ODT等方式，以下为不同拓扑方式对比：

不同端接拓扑方式对比

简单来说，端接处就像“PCIe”高速路的收费站，Target ODT模式表示这唯一一条高速路通向多少个“NAND”城市，终点就有多少个收费站。要实现这一点，就需要在终点建设对应数量的匝道，每条匝道延伸到不同收费站“target”。但随着SSD盘容量的升级，终点处的城市数越来越多，如果还是按照Target ODT模式，终点处的匝道数也随着“NAND”城市数增加。如果下高速前要从十几个匝道中选择一个正确的匝道驶离，对于司机来说即使是有导航也是一件困难的事，势必会导致车辆下高速过程中发生混乱（信号扰动）。Non Target ODT模式是保持原有匝道数不变，规定一定数量的“NAND”城市为一组，共用一个匝道，即一个匝道的出口是两个以上的“NAND”城市，通过投入一定预算（功耗），安排一批交警（命令）保证从同一匝道下高速的车辆正确前往对应的“NAND”，来维持原有的匝道数，使行程终点的交通不至于因为“NAND”增加而混乱，既保证了高速信号在到达接收处降速时的信号质量，也最大可能的维持了传输信号的高速率。

各种端接方式优缺点：

Target ODT简单易行，是最常用的方式，无额外性能损耗，适用于IO接口速率不是很高的情况，比如800MT/s；

Non Target ODT对信号反射的处理更好，使得Target Die上的信号质量进一步提升，IO可以跑到更高的速率，比如1.2GT/s，由于使用时需要额外的命令设置，对总线效率有一定影响，并且功耗会有所增加；

另外为了应对更高的NAND IO接口频率，比如2.4GT/s，或者更高，近年来增加IO Buffer Chip的方式也成为发展的一个趋势，但此设计增加了SSD电路及Firmware设计的复杂性，NAND成本和功耗也进一步增加，添加Buffer有在外部总线添加和NAND内置两种。

第二，ZQ校准（ZQ Calibration）。

为了在提高信号完整性的同时增强输出信号的强度，NAND中引入了终端电阻和输出驱动器，想要在温度和电压发生变化的场景下仍然能够保持良好的信号质量，就需要借助ZQ Calibration对这些终端电阻和输出驱动器进行校准。通过一系列精密的电路设计，在SSD盘初始上电过程中调整终端电阻阻值到设计的精确值，以保证信号输出所需的电压、电流达到理想值，信号在生成之初就可具有较高质量和抗干扰性。

ZQ Calibration在低速时是可选的，但当NAND传输速度超过533MT/s时则必须开启该功能（以某一款NAND举例）。

第三，增加Training功能。

Training的过程，是为了找出在Controller和NAND间进行数据读写时的最优信号的位置，而进行的探索性调整相位的过程。一般NAND IO速率超过800MT/s就需要开启该功能，通过NAND的Read、Write Training来优化信号Window，使数据读写的建立、保持时间裕量更大，达到提升信号质量的目的。

以浪潮信息企业级SSD在实际测试中通过改变NAND特性带来的信号质量提升为例：

左图是使用Target ODT及未加Training时的仿真波形，可以看出信号质量比较差，并且IO速率得到限制，只能跑到最佳性能所需速率值的三分之二（667MT/s），如果再提高频率就会造成数据出错；右图是将端接改为Non Target ODT和增加Training后的波形，可以看出信号质量明显改善，并且IO频率可以达到理想值1000MT/s，甚至更高，信号质量得到显著提高。

未经处理的信号 → 优化后的信号

由于IO频率的提升，NAND到Controller DDR RAM之间数据传输的时间减小，就单个Data Frame而言，时间减小2.288us，减小了读时延，提高了QoS指标（Quality of Service 服务质量）。

浪潮信息：持续升级企业级SSD

浪潮信息企业级SSD（型号NS6500G2），采用8 Channel SSD Controller(SHX1000)，通过以上措施提升NAND信号质量，使得NAND IO频率稳定运行在1.2GT/s，将PCIe4.0性能发挥到极致。除SSD Controller之外，NS6500G2在NAND颗粒和Firmware上实现全部技术创新，支持加密算法和标准日志接口，能提供高运维效率，降低客户TCO。多项关键技术创新能够更好地满足客户需求。

近年来，浪潮信息持续加大产品投入和创新，通过内在技术打磨和外延销售网络扩展，不断提升自身在各生态领域下的地位，以精益精造的理念，不懈追求更高速、更可靠的数据传输模式，充分发挥闪存高效、可靠、绿色的优势，以创新助推技术产品化，以合作谋求行业数字化转型，全面释放数据价值，推动数字经济融合发展。

全盘不掉速？探寻三星宝藏固态870EVO的背后

当我们说到固态硬盘性能的时候，我们往往会关注最大连续性能，或是4K随机表现，这种瞬时达到的极限数值，而会忽略可能更有实践意义的SLC Cache的巅峰性能以及持久性。

01关于SLC Cache

说到了SLC Cache，实际上是一种平衡了性能和成本的、为用户提供更好性能从而解决应用难题的两全方案。众所周知，基于闪存内部电子负荷数量的不同，闪存在绝对速率、寿命以及采购成本方面成正比，即电子负荷越少，闪存绝对速率越高，寿命也越长，采购成本同样也会拉高，当然就绝对数值而言最优秀的闪存颗粒，无疑是内部仅排列一个电子负荷的SLC了。

固态硬盘内部构造

既然公认的SLC是绝佳的闪存，为何不进行大规模量产和应用呢？自然是成本采购的缘故，作为电子消费品，固态硬盘的普及之路，必然需要考虑成本和商品定价，过高的采购成本，让作为绝对优质的SLC闪存基本无缘消费级市场，即使是在企业级或是数据中心集群领域，大规模SLC产品配置也是不常见的。

这就如同眼看着一座金山却又无法开采，空有极致性能却无力承担采购成本，有没有一种方式，既能够体验到SLC闪存的极致性能，又能稳定采购成本呢？于是模拟SLC技术应运而生了，这个技术其实解释起来也非常简单，即工程师们在MLC、TLC等采购成本较低的多排列颗粒内部，划出部分区域，用来模拟SLC颗粒的工作流程，使得在这个容量区域内的存储性能，能够达到原生SLC颗粒的性能表现；当存储容量超过划定区域后，则调用其他区域的常规颗粒，恢复到原生颗粒的性能表现。

闪存颗粒

这样便在相当程度上，即保留了SLC颗粒的绝对性能，又维系了固态硬盘的采购成本，达到了共赢的效果。

02三星二代智能TurboWrite缓存技术

说到SLC Cache技术的发展，自然也离不开引领和深耕固态硬盘行业数十年，全球领先的存储巨头三星品牌存储的推进和创新。

三星品牌存储对于SLC Cache技术，有着自己的一套技术逻辑，并为此进行了多次迭代，并应用到了诸如三星870EVO等最新产品之上。

内置第二代智能TurboWrite缓存技术

三星870EVO，是三星品牌存储最新研发的，针对拥有大容量存储需求的商务、游戏和内容创作者等多场景多应用人群，量声定制的，其中三星自研的第二代智能TurboWrite缓存技术的加持，更是让此款固态硬盘堪称“宝藏”了。

所谓第二代智能TurboWrite缓存技术，也就是SLC Cache技术，原理上大同小异，依旧是在一定存储容量范围内，用其他类型的闪存颗粒，模拟原生SLC颗粒的性能表现，让用户在圈定的容量范围内，能够感受和体验到SLC级别的性能，并解决实际的存储应用问题。

图源于三星

创新之处在于，和常规SLC Cache技术不同，TurboWrite缓存技术更加强调智能，所谓智能，指的是通过三星自研的内置固件，系统可以自动识别当前固态硬盘的存储负载，并智能调节TurboWrite缓存的工作模式，即在低负载，小规模存储任务下，TurboWrite将启用固定的模拟SLC存储空间，用于满足用户的性能需求；当存储任务超过固定空间后，进行高负载的大规模存储任务时，TurboWrite将智能调整动态的缓存空间，以满足存需求。

03宝藏固态的全盘不掉速

而三星870EVO，在低容量版本下，依旧遵循以上的存储规则，而当达到1TB版本以上的高容量时，三星870EVO展现了恐怖的性能表现，堪比全盘SLC闪存颗粒的绝对性能。

经过笔者的实测，以三星870EVO 4TB版本为例，无论是在文件基准，还是常规基准，两种测试维度下，全盘写入时基本维持在最高连续写入530MB/S的狂暴性能。

基准

文件基准

究其缘由，一方面是绝对容量达到了一定层级后，二代智能TurboWrite缓存技术，能够拥有更大的空间进行智能化的缓存模拟，最终实现了全盘高性能的强悍表现；另一方面，则是内置的三星原生增强型1xx层的第六代V-NAND 3bit MLC颗粒，带来的体质优势。

绝对性能

全盘不掉速，持续高性能，带来的不仅仅是数值上的震撼，具体到应用场景上，商务办公方面可以无惧各种类型，容量不一文件的快速存储，高效且更稳定；游戏方面，无论是游戏自身文件的传输和转移，还是大规模长久游戏对于存储的持续需求，三星870EVO的持久高性能，都能轻松圆满的完成；最后，值得关注的是内容创作领域，在内容创作阶段，连续大规模的素材载入，不同软件间的动效切换，甚至各种剪辑特效的相互叠加，以及最终全视频的输出和渲染，都实时考验着硬盘的IO性能，870EVO能够始终保持高性能的IO特性，以及高达4TB容量的存储空间，绝对是助力内容创作的绝对神器。

集性能和容量与一体，兼具理论和应用为一身，二代智能TurboWrite缓存技术的加持，三星870EVO真可谓是宝藏固态了。

目前，这款堪称宝藏的三星870EVO固态硬盘，正在三星存储京东旗舰店热销中，近期有存储需求的朋友，这款宝藏固态绝对不容错过。

宝藏直通车：https://item.jd.com/100017863908.html#crumb-wrap

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