QLC SSD的設計挑戰(zhàn)及解決方法

在語言大模型（LLM）、推理大模型（如DeepSeek）等AI應用爆火的當下，數(shù)據(jù)存儲和訪問速度、模型訓練與推理效率等相關話題也逐步升溫，SSD在其中扮演著不可或缺的角色。跟隨本欄目，快速了解SSD存儲正在進行著哪些變革。

上期我們對QLC SSD、TLC SSD以及HDD分別進行了優(yōu)勢對比，并得出了成本分析《存儲變革進行時：高密度QLC SSD緣何扛起換代大旗（一）》。

本期將重點介紹QLC SSD在設計上存在的諸多挑戰(zhàn)及解決之道。

01更大的內(nèi)部扇區(qū)尺寸

從硬件設計及成本上考慮，高密度QLC SSD存儲容量增加時，其配置的DRAM容量通常不變，這意味著盤內(nèi)單位扇區(qū)（Indirect Unit）會變大。

例如，標準的4TB TLC 4KB扇區(qū)SSD需要配置4GB DRAM來保存L2P表。對于64TB QLC SSD若其DRAM的配置容量保持不變，則必須使用64KB扇區(qū)。此時如果執(zhí)行一個4KB的隨機寫IO，則需要執(zhí)行“讀-改-寫”的過程，這將產(chǎn)生16倍的寫放大。而TLC SSD的4KB隨機寫則無此問題。

因此，盡管QLC SSD大尺寸連續(xù)寫性能與TLC SSD持平，但是其4KB隨機寫性能遠低于TLC SSD，根源在于其內(nèi)部扇區(qū)更大。

在操作系統(tǒng)下發(fā)給SSD盤的讀寫請求中，尺寸小于4KB的請求較為少見，而實際運行中4KB的讀寫請求數(shù)量卻不少，主要源于以下幾個方面：

● 塊設備接口的邏輯扇區(qū)（LBA）尺寸是512B或者4KB；

●主流操作系統(tǒng)的內(nèi)存頁面的尺寸設定為4KB；

●文件系統(tǒng)的空間分配單位通常不小于4KB。

針對這些問題，操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)正在積極修改，以適應更大的SSD內(nèi)部扇區(qū)尺寸，隨著時間的推移，技術(shù)將逐步演進成熟，將更好地支撐大型內(nèi)部扇區(qū)。

另外，當前的DWPD測試標準是基于JEDEC JESD218制定的，采用4KB寫負載進行評估。雖然4KB寫負載并不能準確模擬實際應用中可能出現(xiàn)的各種工作負載，但是DWPD仍然是評估SSD性能的重要指標，因而必須堅持使用統(tǒng)一的測試標準。考慮到QLC SSD的盤內(nèi)扇區(qū)較大的特性，在這一測試標準下，DWPD測試結(jié)果通常會顯得較為遜色。

解決此類現(xiàn)象的思路包括對DWPD測試標準進行調(diào)整，使用更加適合QLC SSD特性的寫負載進行評估，或者針對QLC SSD制定專項的測試規(guī)范，結(jié)合其特有的存儲單元結(jié)構(gòu)和寫入機制，以便更準確地反映QLC SSD在不同使用場景下的表現(xiàn)。行業(yè)內(nèi)的標準化組織也能盡早推動，形成能夠覆蓋不同NAND類型的綜合性測試標準，以體現(xiàn)更公平的性能評估。

02布局和堆疊

目前大容量的SSD普遍采用TLC或QLC NAND，一般會采用16~32顆NAND FLASH顆粒。顆粒數(shù)量的增加會帶來整盤的器件布局、PCB堆疊設計的挑戰(zhàn)。

一般企業(yè)級的SSD，主要器件包括1顆SoC，5-10顆DDR（含ECC），多顆NAND FLASH顆粒，備電電容等。要在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)，對PCB的布局密度提出了更高的要求。

◎表1、常見企業(yè)級SSD硬件形態(tài)

在極端的場景下，例如9顆DDR+32顆NAND FLASH，單層PCB已經(jīng)無法放下， 此時就需要用兩層或者更多層PCB堆疊來實現(xiàn)，PCB通過柔性PCB或者接插件鏈接。比如憶聯(lián) UH610 ESSD，采用了高密布局和兩層PCB堆疊來實現(xiàn)。

◎圖1、憶聯(lián)UH610采用柔性PCB

此外，大容量SSD的NAND顆粒一般采用ODP或HDP的封裝，也就是一個顆粒（package）會封裝8個或者16個Die。對于HDP來說，芯片的高度就會稍高于采用ODP、QDP等Die數(shù)較少的封裝形式，進而影響結(jié)構(gòu)的堆疊設計。

03功耗和散熱

對于單個SSD來說，雖然最大功耗的上限是固定的，但是由于降額的要求，最大功耗場景在一般的業(yè)務運行過程中很難出現(xiàn)，我們需要更多關注的是業(yè)務場景下的“典型功耗”。

◎表2、各硬件形態(tài)SSD最大功耗

一方面，受限于供電、散熱和SI，即使是大容量的SSD，其最大性能仍略低于普通容量的SSD。但在典型的業(yè)務場景下，兩者可達到的性能是基本一致的。SoC的功耗主要取決于性能，因此對于某一款具體的SoC而言，相同業(yè)務壓力下的功耗，可以認為是基本不變的。

另一方面，隨著SSD容量的增加，采用的介質(zhì)（NAND FLASH）不論是Die的數(shù)量，還是單Die的容量，均會增加。采用4KB FTL（Flash Translation Layer）粒度的標準SSD，為了支撐更大的物理容量，F(xiàn)TL表項數(shù)量也會隨容量成比例增加，帶來DDR顆粒的容量或數(shù)量增加。

NAND FLASH和DDR顆粒的增加，不論是數(shù)量，還是總的Die面積（即規(guī)模）增加，都會使漏電流隨之變大，進而導致SSD靜態(tài)功耗增加。因此整盤的功耗會隨著容量增加而增大。

◎圖2、2TB和16TB SSD 14G帶寬順序讀功耗分布

從單個SSD的角度來看，布局密度增加以及PCB的堆疊設計，增加了SSD的風阻，帶來了更高的風壓，風量就會降低，用于熱交換的空氣變少，導致SSD溫度升高。

◎圖３、阻力越大，風量越小

SSD上的器件（NAND、DDR等）功耗增加，會使流經(jīng)SoC的空氣，被更多的加熱；外殼殼體也會被加熱到更高的溫度，也會使SSD溫度升高。

對于一個系統(tǒng)來說，不論是服務器還是專用的存儲設備，散熱都需要滿足SSD的最大功耗的要求。但是如前面分析，我們更應該關注“典型功耗”。大容量SSD的典型功耗增加，意味著同樣業(yè)務性能下，需要更高的風扇轉(zhuǎn)速或者液冷工質(zhì)流速，提供更多的風量或流量散熱。

綜上所述，QLC SSD在逐漸嶄露頭角的同時，也在不斷攻克內(nèi)部扇區(qū)尺寸、布局與堆疊、功耗與散熱等設計上的挑戰(zhàn)，這些創(chuàng)新也為QLC SSD的進一步應用鋪平了道路。

隨著市場對存儲解決方案需求的不斷演變，QLC SSD將會在哪些業(yè)務場景中取得領先優(yōu)勢，又將如何推動存儲技術(shù)的進一步發(fā)展呢？敬請持續(xù)關注本系列文章。