邁入ZB時代的全新存儲架構思路

閃存市場真的觸底了嗎？——在內存價格經歷了近一年的下滑后，每個人都想問這個問題。

在過去一年中，幾大閃存供應商都在采取手段阻止價格下滑，包括削減投資、減少產能、延遲新工廠投產等，雖然效果不是立竿見影，但預計到2020年隨著5G智能手機、企業、機器生成的數據推動著數據中心的存儲容量快速地從PB級擴展到EB級，需求的持續提升會令存儲市場逐漸回暖。

西部數據高級副總裁兼中國區總經理Steven Craig

“為什么我會這么樂觀？因為整個2018年全球產生數據約32ZB，到2023年會有超過100ZB的數據產生，這會改變我們對整個存儲行業的看法和預期。“在日前于深圳舉辦的閃存市場峰會（CFMS2019）上，西部數據高級副總裁兼中國區總經理Steven Craig對閃存市場表達了樂觀的態度。

目前我們的數據源主要有三個，包括邊緣數據、末端數據，以及在云端（核心端）將大數據轉換成經過處理的智能信息。據IDC報告指出，2018年全球產生的32ZB數據中，只有5ZB（Zettabyte，十萬億億字節 ，1ZB約等于1萬億GB）被存儲了下來。

到2023年，大于90%的數據將由機器生成，5G、人工智能、機器學習，包括視頻監控，甚至4K、8K視頻的廣泛應用，都催生了海量數據產生。屆時存儲量將會上升到12ZB，但占據產生數據量的比例卻由2018年的15%下降到10%左右。

Steven Craig表示:“這就是我們面臨最核心的問題，數據產生后只有一小部分會存儲下來。存儲行業整個生態環境還沒有跟上新的趨勢，我們必須要轉變思維模式，為未來更大規模的數據存儲準備好相關的技術。”

應對數據爆炸，SSD成本吃不消

逐步增長SSD的用量是一個方法，NAND Flash層數的增長也可以進一步增加存儲密度。從2014年的24層，到2016年的到48層，2017年的64層，再到2018年的96層以及明年的1XX層……NAND層數似乎也有了一個類似摩爾定律的更新迭代周期。

單純增加層數的方法看起來最簡單，但實際上會增加更多的成本。層數增加，意味著要制造更多的晶圓，導致每平方米單位面積的存儲成本上升，如上圖所示3D NAND迭代的資本密度。我們需要多管齊下。首先需要不斷縮小閃存孔規格，讓存儲孔（MH）密度不斷提升；再來是升維擴展，也就是Z軸縱向發展提升層數，讓存儲單元（Cell）密度提高；最后提升TLC的比特密度。
“下一代技術要求每個單元實現4 bit數據存儲，這是非常艱巨的任務。” Steven Craig說到，“但在這樣的情況下，我們才可以獲得技術發展的紅利。” 預計不同層級的TLC將引領未來存儲的增速，應用在包括在企業級、客戶級還有移動端，移動端的需求尤其大。

QLC高密度的4 bit每單元是“一步到位”的解決方案，據預測到2025年3D-QLC會占50%以上的總比特數出貨量。當然天下沒有免費的晚餐，我們必須去接受提升容量帶來的成本提升，這對企業來說會造成一定的困擾，有沒有兩全其美的辦法？

把HDD和SSD混在一起做分區存儲

“對于西部數據來說，在數據存儲邁入ZB時代也遇到了關鍵挑戰。QLC雖然在可擴展性、成本/TCO效益和訪問/讀取性能上都很優異，但是寫入壽命的限制卻讓人頭疼。磁盤存儲也是如此，我們將傳統的CMR(Conventional Magnetic Recording, 傳統磁記錄)技術，轉為SMR(shingled magnetic recording，疊瓦式磁紀錄)技術。 ”Steven Craig表示，“但還是有寫入限制。”

什么是SMR？疊瓦式磁紀錄可以為HDD帶來物理和邏輯上的擴展。物理上，增家磁碟數量、擴大磁碟尺寸和窄化軌道實現；邏輯上則能為每隔區域疊加更多軌道進行。不過SMR在隨機寫操作時，需要先將疊瓦布局中重疊磁道部門的數據遷移走，這需要操作系統以及應用程序等的支持，對于客戶實際部署要求較高。也是因為這個原因，SMR磁盤很難與CMR無縫銜接，但SMR在單盤存儲容量方面的潛力，對于爆炸式數據增長帶來的存儲需求，還是極具誘惑力。

如何發揮SMR在單盤存儲容量方面的優勢，同時掃除影響SMR使用的障礙？只有SMR-HDD和SSD同時存在，才能在不犧牲性能的情況下提高存儲容量，這也是西部數據分區存儲計劃誕生的背景。

ZNS（Zoned Namespaces，分區命名空間）包含SMR-HDD以及ZNS-SSD的配套技術，其中SMR具有成熟的生態和廣泛的開源社區支持，能夠享用SMR技術帶來的硬盤存儲容量最大化紅利；融入ZNS標準的NVMe SSD則延續閃存擴展，擁有更好的耐久性、可預知的低延時和QoS（服務質量）性能，實現QLC的規模部署。

Steven Craig表示：“分區存儲是一項開源的、基于標準的技術提案，使數據中心能夠經濟高效地對存儲介質進行選取和部署，有效地擴展到ZB時代。”

哪些市場HDD和SSD替換得最激烈？

會后，西部數據產品市場部副總裁朱海翔先生，西部數據公司產品市場部總監-張丹女士接受了《電子工程專輯》采訪。

由左至右：西部數據公司全球產品市場部總監-萬君玫女士，西部數據公司產品市場部副總裁-朱海翔先生
和西部數據公司產品市場部總監-張丹女士

對于數據端到端的架構，朱海翔認為，數據主要由終端通過不同的應用產生，然后在邊緣計算或分布式數據中心進行初步集成和分析。最后，在云數據中心通過一些大數據技術分析，數據價值才會最終體現出來。“今天大多數的數據，還是人為方式產生的。比如說微信，在一些平臺上分享我們的文字、圖片、視頻，以及現在非常流行的短視頻抖音、快手等等，這些都是人產生的數據。但是隨著5G萬物互聯的發展，我們可以預見，到2023年全球90%的數據都會由機器產生。而由機器產生的數據有獨有的特性，大多數都是順序型寫入的流媒體數據。”

針對機器產生的宏大海量數據類別和新特性，存儲行業怎么把這個挑戰變成機遇？增加存儲量無疑是最需要解決的問題。今年越來越多96層3D NAND被用在數據中心，各個廠商也在積極開發1XX層存儲密度的3D NAND，“但是這只局限于存儲介質的密度增加上，如果最終想要在數據中心使用最高密度QLC，而不是現在的TLC，我們需要解決QLC在數據中心中批量部署的最大難題——寫入壽命問題。” 朱海翔表示，“要解決這個問題，不能停留在介質本身，要重新看整個數據的基礎架構。所以今年6月我們推出了分區存儲技術，我們相信這個技術可以從全新的維度幫助整個行業，尤其是在數據中心快速的部署最高存儲密度的QLC。”

其實在存儲介質的選擇上，西部數據是一家比較獨特的公司，他們在HDD行業有開發和制造的垂直整合能力，在SSD上也是一樣。所以在推薦客戶才用HDD還是SSD上，“西部數據并沒有一個偏好，比如一定要在市場上或是在客戶處主動去推其中某一個產品。但是我們看到，在不同的行業里，對于HDD和SSD互相過渡的速度和范圍是不一樣的，其中三個行業是全球使用傳統機械硬盤最大的行業：數據中心、個人電腦以及視頻監控行業。”

朱海翔介紹到，“這三個行業情況不一樣。在數據中心行業，HDD每年的年負荷增長率可達34%，我們把它叫企業級HDD。因為成本、性能整合的優勢，相比之下大多數的云廠商還是愿意大量用HDD來存儲。SSD在云數據中心中增長速率比HDD快，每年增長率是44%，但它的起點相對較低。我們預測在大概四五年之后，數據中心絕大多數的存儲媒介仍然是HDD，而不是SSD。”

個人電腦行業則完全不一樣。去年個人電腦里面的存儲介質已經有50%轉變為 SSD，今年可能已經達到60%，大概兩三年之后會達到80%以上。所有的個人電腦都傾向于使用SSD，而不是傳統的機械硬盤。

第三個視頻監控市場在中國尤其重要，而且中國有全球領先的安防廠家，近年來中國視頻監控存儲的需求量，在全球已經超過50%，但絕大多數的存儲需求還是HDD，而不是SSD。朱海翔表示：“因為我們和這些廠家都有緊密的合作，并沒有看到近期或可預見的將來會有大量SSD會替代HDD，這是我們看到的HDD和SSD互相轉變的三個主要重要市場。”

在中國區首發全球新品

在媒體會中，西部數據還發布了一系列針對工業、智能和先進制造（包括多種物聯網設備）等需要在嚴苛環境中操作的新產品。張丹表示，這是西部數據首次在中國，發布全球范圍內的新品。

此次發布的新產品采用高耐久度3D NAND技術，以多種產品形態為工業系統設計人員提供適用于工業級市場領域的解決方案，可應用于邊緣計算網關、機器人、醫療和監測/安防等領域，同時為工業和物聯網系統設計人員在人工智能和機器學習應用領域提供方案。

為什么會有工業級別產品的發布？張丹表示，“當我們以深入視角研判未來萬億字節新時代的時候，發現有兩個主要的趨勢，一個是數據上云，第二個是算力下發。算力下發的結論就是邊緣計算，所以越來越多的計算能力會被推動到邊緣端，越來越多的傳感和分析在邊緣端實現，但是這些數據并沒有充分的在邊緣端進行存儲。我們看到了邊緣不具備足夠的能力和成本優勢來保存更多的數據，因此我們也想盡一些努力來滿足行業對這方面的需求。”

據介紹，西部數據工業級存儲產品能夠在惡劣環境（如高溫、潮濕、極端海拔或強振）下保證設備存儲正常運行，通過延長數據保存期限而存儲和處理更多數據。

西部數據首款針對工業及物聯網市場而設計的64層3D NAND e.MMC

西部數據iNAND IX EM132嵌入式閃存盤是公司首款專為工業及物聯網設備設計的3D NAND e.MMC，其中搭載了西部數據64層3D NAND技術。該產品有兩種版本的寬溫范圍，分別是-25°C至+ 85°C以及-40°C至85°C。西部數據公司將該產品的e.MMC使用壽命延長并超過了2D NAND，為基于高級操作系統、傳感器融合和機器學習技術的工業和消費應用提供更高的容量選擇。該產品還有專為密集型工業工作負載而設計的功能特性，包括：

· 高級運行狀況管理
· 熱管理
· 智能分區
· 自動和手動讀刷新
· 電源管理
· 達到JEDEC（固態技術協會）標準的數據保持力

針對工業及物聯網市場的高耐久度SD存儲卡和microSD存儲卡

新款西部數據工業級IX LD342 SD存儲卡和IX QD342 micro SD存儲卡為OEM商、經銷商、分銷商、集成商和工業系統設計人員提供了高度耐用的產品特性，為新興工業應用領域帶來更好的靈活性：

· 采用西部數據3D NAND技術
· 提供16GB至512GB的容量選擇
· 高耐用性（3,000 P/E循環）保證了更長的使用壽命
· 存儲卡的運行狀況管理可以檢測存儲卡的剩余耐用程度，并在需要時主動對存儲卡進行維護

產品展示

除此之外，西部數據還在此次閃存市場峰會中展示了諸多產品:

上述剛發布的部分新品，以及ZNS SSD，相較于普通的NVMe SSD可提升吞吐量，顯著降低延遲

恩智浦i.MX8 Mini EVK主板，其采用了西部數據最新的iNAND IX EM132工業級e.MMC嵌入式閃存產品，可實現更好的性能表現。

還有Ultrastar系列的SSD產品。