大容量與高性能SSD硬盤的比較
人們需要了解企業級硬盤的最新發展趨勢、高性能存儲設備的應用方式，以及底層NAND閃存技術進步的影響。
固態硬盤(SSD)如今已大部分取代了用于企業應用程序工作負載的機械硬盤(HDD)，并且對大容量數據存儲而言，已成為越來越可行的選擇。盡管市場銷售的機械硬盤(HDD)總量仍然超過固態硬盤(SSD)，但固態硬盤(SSD)的銷售量在未來一兩年內可能超過機械硬盤。
與機械硬盤(HDD)相比，固態硬盤(SSD)在吞吐量和延遲方面具有巨大優勢。但是，只要它們與機械硬盤(HDD)尺寸和接口保持兼容，尤其是2.5英寸小型(SFF)驅動器機箱和SATA I/O格式，它們就無法充分發揮其NAND閃存內部組件的潛力。但是，這種情況正在發生變化，因為直接連接到PCI系統總線的基于NVMe的高性能SSD硬盤在企業中變得越來越普遍。
而人們需要了解有關企業驅動器的趨勢、NVMe設備崛起的原因、底層NAND閃存技術的進步，以及一些用例的信息。
SATA輸出，NVMe輸入
Statista公司估計，2021年固態硬盤(SSD)的出貨量將首次超過機械硬盤(HDD)。根據Research and Markets公司的調查，到2024年，企業閃存市場將以每年17%的速度增長，年收入約為250億美元。而AWS、谷歌、微軟、阿里巴巴等超大規模云計算提供商運行和托管的云計算設施將取代許多企業數據中心。
在以往，閃存與企業市場采用的硬盤競爭的最簡單方法是采用現有的機械硬盤(HDD)物理接口標準。直到幾年前，使用SAS和SATA接口的固態硬盤(SSD)在市場上仍占主導地位。然而，在2017年底，NVMe高性能固態硬盤(SSD)的使用量激增，超過了2018年年中SATA企業級機械硬盤(HDD)的總容量。
與SATA硬盤相比，用戶更喜歡NVMe高性能固態硬盤(SSD)有幾個原因。其中包括：
- NVMe協議設計用于NAND閃存等非易失性半導體存儲器和Intel Optane等3D XPoint等下一代非易失性技術，以及Everspin和Avalanche Technology公司提供的電阻和磁阻存儲器。它顯著地簡化了I/O協議，并消除了HDD硬盤協議的其他限制。
- NVMe支持多達64K個隊列，最多64K個條目，而SAS支持254個條目，SATA支持32個條目。NVMe還針對多個核心處理器非統一內存訪問處理器進行了優化，以允許多個核心處理器共享隊列的所有權。該協議不需要I/O鎖定，并具有其他功能，允許其性能隨系統中可用的核心處理器數量的變化而變化。
多個核心處理器非統一內存訪問處理器進行了優化，以允許多個核共享隊列所有權。該協議也不需要I/O鎖定，并具有其他功能，可以根據系統中可用內核的數量來擴展性能。
- NVMe命令集比SAS或SATA更簡單、更精簡，開銷更小，作為機械硬盤(HDD)協議，每個I/O請求需要一半或更少的處理器指令。這種效率意味著更高的IOPS吞吐量和更低的延遲。其指令集還包括一些高級功能，如保留和電源管理，這些功能可以進一步提高系統效率。
- NVMe有效支持I/O虛擬化技術，如單根I/O虛擬化，并提供廣泛的錯誤報告和管理功能。
IDC公司研究副總裁Eric Burgener表示，到2020年，NVMe將成為企業存儲的基礎，越來越多的工作負載將需要NVMe來實現低延遲、高吞吐量、存儲密度和快速存儲陣列重建時間。
更密集、更快的閃存
像內存(DRAM)一樣，閃存通過檢測存儲單元中是否存在電荷來工作。閃存使用的存儲結構與內存不同，一旦存儲芯片斷電，該結構并不會丟失電荷。
早期的閃存設計使用了由絕緣二氧化硅包圍的導電多晶硅浮柵，從而在通過名為Fowler-Nordheim隧道的數據寫入過程中捕獲電子。這些平面結構多年來一直為各行業服務，但是它們的二維結構限制了存儲單元陣列的密度。
構建更高容量的閃存設備的解決方案需要進入硅基板以蝕刻3D結構，該結構可以分層以在每個支柱上創建多個存儲單元。這些設計與電荷存儲和絕緣材料的變化相結合，從而可以使用電荷陷阱非易失性存儲機制。
除了在3D堆棧中將存儲單元進行分層之外，現在的設備還可以讀取每個存儲單元多個電壓荷電平，從而使它們可以存儲多個位并增加容量。在單層單元(SLC)NAND設備中，多晶硅浮柵充電的單元代表0，沒有電荷的單元代表1。
相比之下，多層單元(MLC)器件可以向存儲門施加三種不同的電荷水平，以表示四種狀態或兩個位。隨著時間的推移，制程容差和寫入電路已變得足夠精確，可以代表七個或更多狀態，并啟用了三層單元(TLC)和四層單元(QLC)器件，每個器件可存儲16個電壓電平。
增加每個單元的位密度的缺點是速度和耐力。由于編程周期需要多個步驟，因此編程和讀取多層單元(MLC)、三層單元(TLC)和四層單元(QLC)設備所花費的時間會越來越長。而位狀態之間較小的電壓公差意味著，在存儲單元無法區分位電平之前，所需的電荷泄漏較少，因此不可用。例如，大多數單層單元(SLC)設備的壽命大約為100,000個編程/擦除周期，而四層單元(QLC)設備可能只允許100個。
使用場景
位密度與性能和持久性之間的權衡意味著單層單元(SLC)設備是寫密集型數據庫應用程序、數據分析、深度學習模型培訓或系統引導驅動器的首選或直接需求。相反，三層單元(TLC)或四層單元(QLC)設備可用于以讀為主的應用程序，如文件共享和存檔。SSD硬盤耐久性通常在每天的寫入填充中指定，以表明在其使用壽命內每天可以寫入設備上每個單元多少次。
NVMe的崛起意味著企業高性能SSD硬盤現在能夠以多種形式使用。使用U.2和U.3標準的NVMe設備具有與傳統HDD硬盤相同的2.5英寸規格，但使用支持PCIe接口的備用引腳輸出。諸如M.2、PCIe卡和英特爾的EDSFF硬盤的替代產品也采用與閃存一樣的尺寸，可以在緊湊的封裝中提供更高容量。
