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引领存储创新,3D NAND再发力 英特尔D5-P5316释放数据新动能

时间:2021-06-11    来源:本站    点击:305次   

[摘要]

作为现代信息系统最关键的组件之一,存储器已经形成了由DRAM与NAND flash构成的超千亿元市场。身为半导体产业的重要分支,存储器市场地位也在不断增长,这点在市场数据上反映的很明显:全球半导体协会SIA数据显示,存储芯片产业2019年全球销售额约1200亿美元,约占全球半导体市场营收4121亿美元的30%。2021年以来,内存市场也迎来了自己的一波涨价,似乎是在预示着存储器市场的又一轮火热。

       不可否认的是,近年来随着新数据场景下,边缘端到数据中心到云端对硬盘的性能与容量需求也随之出现新的变化。作为一家拥有从软件、芯片和平台、封装到大规模制造制程技术,同时也是NVMe技术标准发起成员的英特尔,近年来也是在3D NAND这条存储芯片技术路线上不断推陈出新,大步向前。

       要明确的是,与NOR flash相比,NAND flash本身就有着写入擦除速度快的优势,IC容量可达128GB以上,因此通常被用来作为大量数据的存储器。而NAND flash在2D时代受到工艺的制约,3D也随之成为破解瓶颈的利器。这也是英特尔致力于3D NAND技术的一大原因之一。由于NAND Flash是集成电路的一种,所以其发展遵循摩尔定律,即当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目增加一倍,性能也将提升一倍。

       然而工艺的进步在扩大容量和降低成本的同时,可靠性及性能都在下降。由于需要额外手段来弥补可靠性,在制造成本及性能上已经难以通过提升制程以获得优势。而3D工艺使得NANDFlash的发展出现转机,打破为提升容量而不断微缩晶体的发展路径,突破发展瓶颈,英特尔更是首当其冲,从2015、2016年开始推出3D NAND,并成为了业界第一家推出3D 64层TLC SSD的厂商,同时也是业内第一家推出64层QLC SSD的厂商。

       但与其他面向消费级的厂商不同,英特尔的3D NAND固态盘主要是为了高密度和高可靠性而设计的,作为第一家为数据中心和客户端出货QLC PCIe NAND固态盘的公司,其在QLC SSD的能力毋庸置疑,同时也在今年4月份发布了可大规模应用在CDN、HCI、大数据、AI、HPC、云计算、弹性存储等市场的D5-P5316,堆叠层数达到了144层。不仅如此,英特尔在数据中心市场与消费级市场都推出了涵盖大部分细分领域的产品。

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英特尔2021年数据中心产品

       具体来说,英特尔在3D NAND方面拥有的优势主要是以下三个方面,同时也代表着英特尔未来的规划路线图:

       独创的EDSFF形态:2017年,英特尔便联合众多行业巨头提出了一种代号“Ruler”的全新形态SSD,专为高密度、高性能的服务器和数据中心打造,2018年初形成行业标准EDSFF,很快得到普遍采纳,EDSFF是特地为数据中心服务器里面能存放更多的SSD硬盘设计并推动的,主要分为长短两种规格E1.L和E1.S。

       单位面积芯片上扩展更多层:上文提到,英特尔的3D NAND固态盘主要是为了高密度而设计,与替换栅极技术相比,英特尔的3D浮栅技术可以在更小的面积前提下,通过CUA可以实现更高效的阵列,单位面积上可存放的Cell更多,面密度最高可提升10%。

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英特尔3DNAND浮动栅极技术可实现最高的面密度

       提高每单元位数:英特尔的浮栅技术展示了QLC以后的发展前景,即5个bit单元的存储。

       “无论是形态设计,还是3D NAND SSD的单位面积芯片上的层数,亦或是每单元的位数,英特尔的路线图无疑可以在将来为数据中心等场景带来更大的密度,这是我们对我们的技术非常有信心的一点。”英特尔技术专家表示。

       纵观SSD的发展,从64层TLC到144层QLC,只有高度可靠的单元设计才能使耐久性实现代际提升,而英特尔使用了垂直浮栅单元来提升可靠性,随着SLC、MLC、TLC、QLC的发展,读取窗口和单元排列都会更加密集,这带来了数据可靠性的问题。与替换栅极3D NAND相比,浮栅3D NAND单元与单元之间是隔离的,电荷干扰较小,更适合数据中心这样的大容量、高密度,或者是QLC以及Big Cell的技术发展。

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浮动栅极可为NAND提供更高的数据保留率

       英特尔NAND产品与解决方案事业部中国区销售总监倪锦峰认为:“做什么样的业务模式决定了拥有什么样的产品,专注手机业务的厂商对单Die的容量要求很小,有的甚至不需要QLC或者PLC,而对于数据中心来说,就有了单Die大容量的要求,这也是英特尔致力于提高面密度的原因.”

       作为英特尔第三代技术的QLC产品,D5-P5316除了在QLC堆叠层数达到了突破,还有着其他黑科技,具体来说,由于对固件介质进行了改进,D5-P5316的擦写次数超过了3000次,耐久性相比其他QLC NAND固态硬盘提高了四倍之多,同时内置了SSD寿命预测技术,可以最大程度减少QLC在使用寿命上的疑虑。

       性能方面,D5-P5316有着与TLC固态盘相当的PCIe 4.0读取带宽,在NAND并发的情况下,读取方面大概可以达到6.5-7GB的带宽水平;而在时延与服务质量方面,得益于其固件设计,D5-P5316在99.999%或者99.9999%的读时延方面的表现,甚至更胜TLC一筹;在质量和可靠性方面,D5-P5316符合JEDEC、MTBF、AFR等主流规范要求,与TLC产品相比基本没有区别,并且使用了与TLC相同的ASIC,在简化资质认证的同时,确保产品的可靠性和设计的难度在可控范围之内。

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英特尔D5-P5316 SSD

       具体到性能参数上,D5-P5316的4K随机读可以达到800K,64K随机写入最高510MBps,128K顺序读/写最高可以达到7000/3600MB/s,耐久性可以达到0.41 DWPD,容量为15.36TB和30.72TB,并且支持热插拔、带内带外监测、遥测和持久事件日志等。

       “无论是云存储、还是对带宽要求比较高的高性能计算领域,或者对读取要求比较高,同时需要大容量存储的CDN场景,都比较适合QLC SSD的部署,通过机房IDC的网络扩容,CPU的平台升级等,结合QLC SSD的使用,可以达到最优的效果。”英特尔技术专家表示。

       随着QLC的不断普及与成熟,QLCNANDSSD势必会在细分市场中有更多的发挥空间,对于D5-P5316来说,由于时延缩减对比第一代QLC固态盘最高可以提高48%,同时拥有更高五倍的耐久性和单盘30.72TB的领先密度,可以进行大规模的部署,从而加快访问CDN、超融合基础、大数据、人工智能、高性能计算和云存储中的大数据集,并最终降低TCO。

       半导体工艺来到14nm以下,通过3D NAND的持续发展,使得NAND的发展一再突破瓶颈,NAND闪存芯片的容量也得以在几年内快速提升,使得NAND闪存芯片成为行动装置及计算机内大量数据存储器芯片,而从产业发展角度而言,NAND flash技术的升级也将刺激eMMC、UFS等主流产品性能的提升,容量的增加,会带来更多创新机会。而D5-P5316在性能、密度、可靠性等方面的优异表现,也成为了释放数据能力的新选择。



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