nand bit反转 NVMe SSD性能那么好，都谁在玩？

发布时间 : 2024-11-28

作者 : 小编

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NVMe SSD性能那么好，都谁在玩？

2020年“新基建” 彻底火了，中央会议特别指出，中国要加快5G网络、数据中心、人工智能等新型基础设施建设进程。

事实上，“新基建”的发展始终离不开数据存储的高效支撑作用，在云计算、大数据、数据中心、人工智能等应用领域中，数据存储的性能表现带来了重要的影响。然而，每一次存储性能的“标志性”提升，必然离不开存储介质与硬盘的推陈出新。

随着NVMe SSD产品与市场发展的逐步成熟，也正在带动企业级SSD更为广泛地深入到用户关键应用领域。来自全球存储观察的分析认为： 在数据中心用户与企业级用户的“双重”应用推动下，在存储芯片厂商3D NAND制造工艺进步与产能提升的情况下，2020年将成为NVMe SSD的发展大年。

提前布局，再次激发NVMe SSD市场活力

更进一步分析来看，在全球SSD领域中，有两股明显的力量，正在加快数据存储行业的变革。

一股力量就是 企业级SSD逐渐成为硬盘市场主流之选，已经开始超过传统的高性能机械硬盘HDD的市场总容量和总出货量；

一股力量就是 NVMe SSD在PCIe 3.0的带动下，存储性能得到极致发挥。在加速数据存储性能更佳发挥的同时，也推动着数据中心大规模服务器应用场景用户和企业级用户关键应用场景的未来创新与发展。

自NVMe SSD进入市场到现在，存储芯片大厂如三星电子、SK海力士、英特尔、美光科技、铠侠、西部数据WD 等，一直不断加速NAND迭代升级，对于96层3D NAND 的产能推进与积极出货，必然会加速SSD相关厂商获得进一步的产品创新。

就美光科技的3D NAND发展趋势来看：

美光科技的3D NAND发展趋

在推动NAND在单位面积容量增长的努力上，96层3D NAND获得了业界的认同。美光科技96层3D NAND量产在2019年实现，2020年将会进一步加强，必然会牵动SSD厂商产品格局变化。96层3D NAND与64层3D NAND并驾齐驱的量产，也带给SSD厂商更多的供货选择。

显然，在全球大趋势下，3D NAND供应2020年将从64层切入到96层，由于存储芯片厂商技术迭代，升级工艺降低成本，SSD厂商也需要提前导入96层3D NAND。构建64层3D NAND和96层3D NAND的SSD产品丰富性，可以降低SSD产品本身发展可能面临NAND产能供应链的挑战。

当然，对于3D NAND堆叠技术上的创新，带来单位面积容量增长的同时，带给SSD更高性能的提升也备受关注，这也是SSD厂商产品创新的源泉之一。

更为关键的是来自数据中心与企业级用户对于SSD在性能与容量上的需求变化，往往是加速SSD厂商提前卡位，实现产品升级的最大源动力。

就在NAND供应商与用户应用需求的双重因素作用下，Memblaze忆恒创源的PBlaze5 920系列也在2020年阳春三月正式在中国市场发布。 在96层3D NAND采用上提前布局，再次激发了NVMe SSD的市场活力。

全球存储观察阿明在与Memblaze产品总监朱磊沟通中发现， 2020年，Memblaze的发展策略非常明确，采取PBlaze5 920系列与PBlaze5 910系列组合上阵，在加速自身NVMe SSD产品创新与性能优化的同时，应对存储芯片供应和NAND工艺迭代的变化。

与PBlaze5 910系列对比来看， PBlaze5 920系列采用的SSD主控不变，3D NAND采用最新的96层3D eTLC NAND新品。虽然是一手组合牌的策略，但也包含了Memblaze有意让PBlaze5 920系列逐步替代PBlaze5 910/916系列的现实想法，毕竟3D NAND与SSD的技术进步势不可挡。

Memblaze PBlaze5 920系列企业级NVMe SSD

PBlaze5 920系列NVMe SSD拥有U.2接口2.5英寸硬盘及半高半长插卡两种形态，最高容量达7.68TB。PBlaze5 920系列包括PBlaze5 D920, PBlaze5 C920, PBlaze5 D926以及PBlaze5 C926 4组SKU。

此外，Memblaze还拥有为打造绿色数据中心设计的低功耗双端口SSD PBlaze5 510/516系列，不同系列有针对性的组合，从而实现了高性能和高效能的SSD产品格局。丰富的“组合牌” 打出来，当然也是赢得企业级SSD市场创新地位的有力保障。

产品更新迭代，不仅性能要“好”更要“稳”

“在PBlaze5 910系列应用过程中，通过与众多用户的沟通交流，一些好的SSD优化功能的想法，在PBlaze5 920系列上立马实现了。” 朱磊表示。

很显然，Memblaze的SSD产品迭代与技术迭代并肩而行，往往每一次产品优化，都最先蕴藏在用户具体的应用实践过程中。

PBlaze5 920系列NVMe SSD提供高达5.9GB/s顺序读带宽和97万读IOPS性能，同时读/写延迟低至90/12μs。不过，性能强健的同时，当前用户更多的诉求是SSD性能与应用的稳定。

之前发布的PBlaze5 910/916系列高性能 NVMe SSD，提供高达6GB/s读带宽和100万IOPS读性能，延迟读/写87/12μs、88/11μs。如果只从性能IOPS和读/写延迟的参数来看，PBlaze5 920系列SSD似乎和PBlaze5 910/916系列略有差距。但Memblaze通过GC算法和效率的改进，PBlaze5 920的随机写性能比PBlaze5 910整体提升了40%，比如3.84TB从100K提高到140K IOPS，3.2TB从 200K 提高到280K IOPS。对于客户应用而言，总体性能改善显著。

此外，对于当前的SSD企业级用户来说，可靠性也是其更为关注的地方。

通过对PBlaze5 910/916系列的长期实践与推广，Memblaze发现市场对大容量SSD需求依然偏少，即便偶尔有用户有大容量SSD需求，也可以借助PBlaze5 910/916系列的15.36TB产品来满足。因此，从客户应用需求的考虑，Memblaze希望能在容量和性能之间做到最佳平衡。

整体来看，中国的企业级SSD用户已经比较成熟，对于大规模应用的用户来说，非常强调业务应用稳定性的保障，导入SSD新品需要的时间周期比较长，基本需要几个月的时间来回测试与验证。

依据DWPD，5年每天全盘写入次数测试上来看， PBlaze5 920系列SSD寿命符合当前市场主流需求。在Memblaze看来，SSD寿命与成本需要一个平衡，SSD更新换代很快，3DWPD寿命标准即“每天整盘写入3次,寿命为5年”的要求目前算是业界用户最高的，因而从1DWPD到3DWPD的寿命区间基本可以满足当前所有企业级SSD用户的需求。PBlaze5 D920, PBlaze5 C920属于1DWPD寿命标准；PBlaze5 D926以及PBlaze5 C926属于3DWPD寿命标准。

在针对SSD稳定性与可靠性上， 最令企业级用户领域关心的是针对SSD的数据保护上，PBlaze5 920系列增强了掉电数据保护、热插拔、全路径数据保护、S.M.A.R.T、灵活功耗管理等功能。

Memblaze与3D NAND供应商美光科技有着技术上的前期合作，PBlaze5 920系列从初始就对数据保护做了专业的测试，通过自己开发的工具增强掉电数据保护、热插拔等功能。

最值得关注的是，PBlaze5 920系列对比910/916系列产品有着三大创新功能的实现。

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创新功能一，在线固件升级。

这个功能对于大规模部署的数据中心用户来说，带来的好处立竿见影。

之前的固件升级Reset需要用户停止文件系统，升级完毕后再重启应用。Memblaze在SSD固件升级上的技术创新，通过模块切分，对用户应用基本无感知。“升级中断1秒到2秒IO，这对于目前部分企业级存储用户要求IO中断时间小于4秒的要求来说，有着应用无感知的在线固件升级的体验。”朱磊进一步补充说道。

在线固件升级功能，不仅保障了企业关键业务连续性，同时也降低了大规模部署NVMe SSD的数据中心运维/升级复杂度，企业用户也无需停止业务或关闭系统，即可完成固件升级操作，也进一步降低了IT系统运维难度以及运维成本。

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创新功能二，可变Sector Size管理。

这个功能英文全称为Viable Sector Size，业内简称VSS， 中文名也叫活性扇区大小。VSS技术在保证高一致性能前提下，进一步保证存储系统和分布式文件系统对数据可靠性的高要求。

英特尔Intel的SSD P3600之前宣称也支持活性扇区大小管理功能，但后来的SSD产品基本就放弃了；目前三星的SSD还有支持活性扇区大小管理功能。

Memblaze PBlaze 920系列 VSS功能

拥有可变Sector Size管理功能的SSD，带来更好的性能优化。比如在航天设备里面，不可避免发生静默数据错误，甚至由爆炸恒星（超新星）产生的宇宙射线引起，如在控制器、DRAM上发生Bit快速翻转。为此VSS在HOST主机端发出一个PI信息，任何静默错误在SSD内部都可以检查出来。VSS功能除了传PI信息，还有附加功能，也可以传元数据，Memblaze的VSS技术可以在用户业务应用下发一个IO，同时可携带8字节或者64字节的元数据。这对存储系统开发带来更好的IO性能优化，减少IO请求次数。

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创新功能三，基于命名空间的性能配额管理。

这个功能英文全称即Quota by Namespace, 利于保证业务IO访问优先级，实现应用场景的优化与扩展。

“面对企业多业务混合场景，PBlaze5 920系列NVMe SSD支持最高创建32个命名空间，并进一步提供基于命名空间的性能配额管理功能，企业用户可以自主限定非关键业务所在命名空间的吞吐能力，保证关键业务所在命名空间的QoS。与此同时，32个命名空间都有独立的key对数据加密隔离以保障每个命名空间中业务数据安全。”

其实，这就是一种命名空间的定制化优化，对于云厂商非常适用， 云厂商会采用多个SSD厂商产品，在一个存储池里面灵活调度不同厂商的SSD产品，Memblaze SSD通过Quota by Namespace功能可以限制SSD的性能，给云厂商提供使用不同SSD Vendor优化性能差异的方法。

Memblaze PBlaze 920系列 Quota by Namespace功能

SSD的随机写性能变化一直是云厂商所头疼的问题，对客户来说SSD的随机写从SSD FOB状态到转换状态到稳态需要一个较长时间的过程， Memblaze SSD可以通过比如设置写带宽在600Mb/s以内，使得SSD从空盘到稳态的随机性写性能保持一致，这样云计算厂商的客户可以有一致的存储性能体验。

通过在Memblaze PBlaze5 920系列上创建不同的Namespace，对负载较低优先级的任务的Namespace加以Quota性能配额限制，可以保证高优先级任务的Namespace享有更多IO资源。比如对优先级低的命名空间对读带宽限制在1GB/s，业务应用没有达到1GB/s的性能，那么所有命名空间性能都不受限制，一旦超过1GB/s带宽那么优先级低的命名空间就自动降下性能，这样不会对优先级高的命名空间的性能有过多影响。

可见，基于命名空间的性能配额管理避免了SSD之间的性能差异，对于大容量SSD内部不同优先级的Namespace提供了设定方法，利于区分不同业务的存储访问优先级。

此外，众所周知，NAND闪存颗粒是有擦写寿命的，在优化SSD寿命方面，SSD擦写损耗的管理非常重要。PBlaze5 920系列NVMe SSD支持企业级TRIM功能，可以减少磁盘擦写操作，延长固态硬盘的FLASH寿命。

TRIM功能可以减少写放大，但开启TRIM功能会对前端IO响应带来阻塞，PBlaze5 920系列实现每秒钟8TB 的速度，开启TRIM功能对于前端IO影响非常小。

对于用户来说，打开TRIM功能，文件系统会受到区块大小限制，随机写过程中避免了SSD搬迁无效数据。

对于云用户来说，SSD云盘空间不会只属于一个用户使用，通常是多个用户在使用，开启TRIM功能后，云用户读数据提升了安全性。PBlaze5 920系列灵活高效的设计保障NVMe SSD可以在不影响业务运行前提下完成TRIM操作，保证云计算环境下多用户访问的数据安全性，同时降低写放大，优化提升业务性能，增强SSD寿命。

从NAND到存储系统到云，生态合作举足重轻

作为国内领先的企业级NVMe SSD产品提供商，Memblaze 自2011年成立 开始，专注技术创新的同时，就一直非常注重生态合作的创新共赢，并与阿里巴巴、百度、腾讯、浪潮、戴尔、联想、中科曙光、英业达、同有科技、宏杉科技、Micron美光科技等国内外企业，构建了“从NAND到存储系统到云”合作伙伴的长期稳定关系。

Memblaze构建了“从NAND到存储系统到云”合作伙伴的长期稳定关系

毕竟，Memblaze推出的PBlaze系列企业级SSD能够在数据库、虚拟化、云计算、大数据、人工智能等领域获得广泛应用，与其积极建设的生态体系不可或缺。良好的生态合作伙伴关系，助力Memblaze已为互联网、云服务、金融、电信等行业超过600家企业 ，提供稳定可靠的高速存储解决方案，并实现了成功落地。

一方面，任何一个SSD产品提供商都离不开与国际NAND大厂长期保持深入的技术合作。 从SSD存储芯片底层出发，Memblaze不断实现SSD的性能与可靠性的优化。与此同时，Memblaze也一直关注国产NAND发展。未来Memblaze也希望与国产NAND厂商构建新的合作伙伴关系，共同打造高质量高可用的SSD产品。毕竟，从NAND到SSD本就是一个比较长的研发、验证和市场接受的过程。

另一方面，从当前企业级SSD应用情况来看，NVMe SSD容量主流目前处于3.2TB到7.8TB之间，对于存储系统和互联网厂商的需求已经有着成熟的满足。不过，SSD的性能优化也需要和存储系统和互联网厂商相互之间的深度合作。

对于产品合作策略上，Memblaze现在针对数据中心大规模服务器应用场景用户和针对企业级用户关键应用场景用户的销售推进上，Memblaze一直坚持双管齐下的举措。

不过，NVMe SSD接受程度高的还是数据中心用户，包括云厂商、互联网厂商、移动/电信/银行数据中心、以及传统企业级用户互联网化的业务领域等。 特别是阿里巴巴、腾讯、百度、字节跳动、Facebook、Amazon、Google 等为代表大规模数据中心用户，在数据存储新技术应用与接受方面更为积极。

传统存储系统厂商对于NVMe SSD的采用上，相对谨慎和保守一些。目前，中国的全闪存阵列厂商还处于发展的初期阶段，需要一定时间的努力与追赶。

即便如此，Memblaze依然十分看好分布式存储系统和集中式存储系统针对NVMe SSD创新与应用。

长期以来，Memblaze在存储系统厂商产品研发阶段，就一直处于共同开发的关系，特别是在SSD与存储系统之间的适配性方面不断实现新的进步。比如存储系统厂商要求单节点内部的SSD支持双端口，大部分传统存储系统厂商认为链路访问冗余设置非常有必要。互联网厂商对双端口支持的要求不强烈，而互联网的分布式架构可以避免此类传统集中式架构的问题。就此，Memblaze NVMe SSD依然全部支持双端口 ，满足存储系统厂商对采用NVMe SSD对普遍要求。

因此，从NAND到存储系统到云， Memblaze在NVMe SSD对生态合作上，长期坚持创新共赢的发展策略。这必然成为助推PBlaze5 920系列 这样的新品快速进入市场，成功落地各个行业的坚实基础，也推动着企业级NVMe SSD 产品提供商为企业数字化进程加速贡献更多的力量。

（by Aming）

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文章来源： Aming，全球存储观察，著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。本文和作者回复仅代表个人观点，不构成任何投资建议。

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【阿明】：科技评论专栏作者、科技媒体从业22年、新闻评论年产出上百万字，用数据说话，带你看懂科技上市公司。

闪存误码根源分析及测试（含方法工具）

Bit错误从Nand Flash物理机构上来说是不可避免的问题，Nand Flash受外界工作环境（如:温度、辐照等）和生产工艺、工作原理、存储材料本身的弊端等影响，总会在各种条件下产生错误。误码率是表明在一定条件下产生错误的比率，反映Nand Flash当前的可靠性状态。

产生误码的物理根源

Cell的本身是个浮栅（Floating Gate，以下缩写为FG）结构的MOS型晶体管，工作原理是通过对FG注入或者释放电荷改变存储单元的阈值电压来达到存储或释放数据的目的。Program“0”通过Control Gate施加电压将电荷注入FG、Erase的过程则是施压反向电压，通过隧道效应（以下简称FNT）将电荷拉出FG，隧道效应会因基板表面附近的单一氧化层能陷捕获或者泄露电子产生随机电信号噪音，这种噪音最终导致阈值电压发生偏移。

随着制程的进步，FG之间的半间距（HalfPitch）越来越小，从1995年的360纳米快速缩减到今天的16纳米，这种因制程进步而对CMOS进行不断压缩的工艺，会对Nand Flash的可靠性造成诸多方面的影响，例如，FG中存储的电荷数量减少，34纳米的FG中，大约存100个电子，电荷流失容限约为10个电子，而在19纳米，FG中大约只有10个电子，因此，每流失一个电子都会对阈值电压产生重要的影响。较近的距离也会让各个存储单元之间更容易产生影响，另外，FG在电压和电场的作用下会导致经时击穿（TDDB，与时间相关的电介质击穿）或者电介质老化，从而导致Bit发生错误。

Erase和Program的操作也会导致氧化层收集电荷，这样会影响到cell的阈值电压，当电荷脱井时，阈值漂移，Bit发生反转。

塑封工艺也是导致错误发生的隐患，Nand Flash采用的主要的塑封电路，塑封工艺会存在吸湿、分层、热传导、空洞等问题，因此，操作严格的工厂，在SMT之前都会预先对Nand Flash进行烘烤，目的就是避免芯片吸湿后受热导致芯片破裂或表面鼓泡，当然，芯片破裂是最严重的问题，即使表明没有破裂也会存在内部物理结构损坏的安全隐患。

误码产生的表现

Bit错误会在下面几种情况下产生：

1、擦写操作（P/ECycle）

2、读取干扰（ReadDisturb）；

3、编程干扰（ProgramDisturb）；

4、数据保持发生错误（DataRetention）。

读取/编程干扰主要是因为对目标Cell进行读写操作时对相邻Cell产生了影响（改变了临近Cell的阈值电压或电场），从而导致相邻Cell数据出现错误。

而数据保存错误则是由于氧化层带了越来越多的残留电荷或者由于漏电流引起cell阈值电压偏移所导致，详细解释请见下面Data Retention部分的介绍。

误码率的测试方法

误码率通常用原始误码率RBER（Raw Bit Error Rate）和不可纠错误码率UBER（Uncorrectable Bit Error Rate）来表达，RBER表示在未经ECC纠正之前的误码率，可以确切反应Nand Flash的初始可靠性状况；UBER则反应在一定长度（codeword）ECC之下的误码率，可以用于评估一定条件下需要使用的ECC强度，UBER的计算公式如下：

1、写擦操作产生的误码可以通过RBER和UBER来测试，可以对NandFlash按“擦除>写入>对比”的顺序进行测试，通过原始误码率的变化可以判定Nand Flash真实的耐久度。

原始误码率（RBER）和不可纠错误码率(UBER)的具体测试如下：

NFA100-E可以通过简单的设定（如设定4组不同codeword长度的ECC做参考）来获取RBER和UBER的数据。

下图测试结果意思为：该Nand Flash（MLC）的原始误码率为：10^（-5.821），不可纠错的误码率为0（原因是做的P/E cycle太少），SSD一般会要求UBER要达到10^（-15），是否可以达到或者超过10^（-15）主要取决于ECC的能力和算法。

2、编程干扰（ProgramDisturb）

编程干扰一般是由于：Vpass过高、Vpass过低、电容性耦合失效以及过量写入导致。

假设，将“11”编程为“10”，对Lower page进行编程需要16V电压，最终，相邻的Cell受到的可能是19V的影响，为什么会出现这种情况呢？

Program实际上是采用增量脉冲编程（Incremental step pulse programming，以下简称ISPP）方式，因为每个Cell的状态不同，对于状态非常良好的cell来说，也许只要一次加压就可以完成Program过程，但对于状态不好的cell来说，可能需要增加电压来完成Program，增加的电压值将被分解为多个子步骤，每次增加一点点电压，然后用Vread判定是否达到目标电压，例如，Vread为20V，那么对“10”的upper page施压的电压最高不能超过19V（Vread>Vth），从正常需要的16V到19V假设每个step增加200mV，那么需要15次才能完成Program。如果以最坏的情况来看，这样的结果事实上是导致临近的cell受到19V影响，数据更容易出现错误，一些“坏”的cell会将邻居也带“坏”。

测试Program Disturb的方法就很简单了，只需要对指定Block进行基本的常规的Erase、Program和Read操作，NFA100-E就可以迅速得出结论。

3、数据保持错误（DataRetention）

Data Retention是有两种原因造成：

1.Data Retention的错误根源是FG的经时击穿TDDB（timedependent dielectric breakdown）导致了低场漏电流变的越来越大，漏电流的变大又导致Cell保存阈值电压转移能力的变弱，从而产生Data Retention的出错。

2.Data Retention的另一种原因就是前文所述的，Erase和Program的操作也会导致氧化层收集电荷，这样会影响到cell的阈值电压，当电荷脱井时，阈值漂移，Bit发生反转。

原理上讲，如果Cell的电压完全失去（低于0V），那么DataRetention错误最终结果是这个cell数据会变成“11”，既：“10”，“01”，“00”最终变成“11”。

Data Retention的测试方法可以参考JEDEC标准，使用NFA100-E可以提供两种测试方法，1、直接使用DataRetention界面按步骤进行测试（如下图示）；2、用Error Rate的测试方法，在室温下用NFA100-E对Nand Flash进行1000次P/E，然后写入一个伪随机数，将Nand Flash放入120°C温箱，34分13秒后取出，用NFA100-E Read Only模式验证Error Rate，依次做此类循环，没有Error Rate发生就表示数据可以保存一年。

4、读取干扰（ReadDisturb）

读取操作同样会导致相邻cell的错误，原因是读取操作是通过对选定的page施压0V电压，而对非选定page施压5V电压，通过cell的源极到漏极之间是否有电流导通来判断cell中是“0”还是“1”，如果有电流导通说明cell阈值电压低于所施加电压，数据为“1”，如果没有电流导通，说明cell阈值电压高于所施加电压，数据为“0”。

因此，读取的操作会造成未被选取的cell形成某种意义上的编程操作，导致其阈值电压向增高，从而导致bit翻转。