1.數(shù)據(jù)中心：綠色能源和低碳排放

談到數(shù)據(jù)中心對企業(yè)級SSD的需求，一般會(huì)講到高性能、穩(wěn)定、可靠、數(shù)據(jù)安全及其他等需求，但SSD能耗比（性能/功耗）在數(shù)據(jù)中心越來越受到用戶的關(guān)注。這如同不斷升級的手機(jī)芯片，提供更高的能耗比，給手機(jī)用戶帶來更高的性能和更好的續(xù)航體驗(yàn)。

2020年10月，國家提出“雙碳”戰(zhàn)略，碳中和和碳達(dá)峰被寫入政府工作報(bào)告。對于數(shù)據(jù)中心來說，它既是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的底座，也是耗能大戶。為了響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略，未來新建的數(shù)據(jù)中心有著統(tǒng)一的綠色能源和低碳排放要求，低碳和可持續(xù)發(fā)展成為未來建設(shè)數(shù)據(jù)中心新的重要參考指標(biāo)。

其中，存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)中心的重要部件之一，以一臺(tái)12盤位SSD的服務(wù)器為例，典型負(fù)載下，其功耗占比服務(wù)器整機(jī)大約30%左右，是耗能大戶。在滿足數(shù)據(jù)中心性能需求的條件下，降低SSD工作功耗，節(jié)省電費(fèi)，進(jìn)而幫助降低數(shù)據(jù)中心的OPEX（運(yùn)營成本），同時(shí)助力提升數(shù)據(jù)中心綠色能源和低碳排放的指標(biāo)，什么樣的SSD產(chǎn)品可以給出解決之道？

2.企業(yè)級SSD性能和功耗模型

按SSD功耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工作狀態(tài)下的企業(yè)級SSD通常有功耗上限，參考下表，像U.2 form factor的25W，E1.L 2T的40W及E3.L 2T更高的70W。目前在數(shù)據(jù)中心及企業(yè)級應(yīng)用中，主流U.2 SSD普遍采用25W以下的工作功耗，但讓企業(yè)級U2 SSD在接近25W的功耗下運(yùn)行是非常粗糙且不經(jīng)濟(jì)的做法，因此更低功耗和更高性能的SSD普遍更受到歡迎。

不同企業(yè)級Form factor SSD功耗上限

技術(shù)層面，在談到如何設(shè)計(jì)更高的能耗比企業(yè)級SSD之前，先看下企業(yè)級SSD的性能和功耗模型：

2.1SSD性能與功耗的關(guān)系

SSD性能和功耗基本上是線性的對應(yīng)關(guān)系，同一款SSD，更高的讀寫性能需要消耗更高的功耗。

PCIe 4.0企業(yè)級SSD性能和功耗示意圖

如圖，更大的功耗會(huì)帶來更高的性能，同時(shí)不同廠商的SSD在達(dá)到同樣的性能下所消耗的功耗不盡相同。這跟不同廠商的SSD使用不同的主控、不同的NAND等不同的硬件部件設(shè)計(jì)有關(guān)。具體來講，在連續(xù)寫（Seq 128K block size）高壓負(fù)載條件下，不同SSD的主控展現(xiàn)出不同的峰值功耗，其次NAND總功耗也不盡相同。

面對數(shù)據(jù)中心級市場，英韌科技于2022年推出了洞庭N1企業(yè)級SSD，是一款高性能低功耗PCIe 4.0 SSD產(chǎn)品，在連續(xù)寫高壓負(fù)載條件下SSD峰值總功耗僅為12W，究其原因，這跟英韌洞庭N1采用了自家企業(yè)級主控IG5636以及與NAND有關(guān)的設(shè)計(jì)方案有關(guān)。

2.2SSD單盤功耗分解

硬件上，SSD由主控、NAND、DRAM、PMIC及其他Passive器件組成，SSD在讀寫操作時(shí)，這些器件分擔(dān)了SSD的功耗，分別消耗不同比例的功耗或電能，參考如下：

某款SSD單盤功耗分解（按部件）

由上表可以看出，在不同IO負(fù)載下，主控、NAND和DRAM成為了企業(yè)級SSD中的耗能三大金剛，合計(jì)功耗占比最高可達(dá)90%以上。其中主控功耗占比約20~50%，成為了功耗組件中的“狀元”或“榜眼”，于是優(yōu)化主控功耗設(shè)計(jì)及調(diào)整與主控有關(guān)的功耗方案設(shè)計(jì)，成為大幅降低SSD整盤工作功耗的可行方案之一。

洞庭N1企業(yè)級SSD使用英韌科技12納米PCIe 4.0企業(yè)級SSD主控芯片RainierDC IG5636，主控于2020年量產(chǎn)，并于同年獲得第十五屆“中國芯”優(yōu)秀技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。IG5636是國內(nèi)第一顆企業(yè)級PCIe 4.0 SSD控制器，前端支持4通道PCIe 4.0接口，后端支持8通道NAND閃存接口，并最早被國內(nèi)各大互聯(lián)網(wǎng)客戶采用和部署于數(shù)據(jù)中心中。其卓越的主控設(shè)計(jì)，可確保單主控峰值功耗僅為3W，約為知名大廠的同類型企業(yè)級主控功耗的1/2，在主控層面大大降低了企業(yè)級SSD的工作功耗，總功耗上自然領(lǐng)先友商一步。而IG5636如何做到3W的峰值功耗呢？

優(yōu)化的功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)：針對企業(yè)級SSD主控設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一的數(shù)據(jù)可靠性及完整性，英韌科技憑借容錯(cuò)率領(lǐng)先的糾錯(cuò)碼技術(shù)，延長NAND閃存的壽命，降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)延遲，使4KB隨機(jī)數(shù)據(jù)讀性能可以提高2-3倍。同時(shí)，主控解碼器可配置低功耗模式，并根據(jù)數(shù)據(jù)本身的錯(cuò)誤bit數(shù)量自動(dòng)切換至糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的高性能模式，在更少的耗能下提高了產(chǎn)品的生命周期和數(shù)據(jù)保持時(shí)間。

增強(qiáng)的硬件IO加速處理可在同性能目標(biāo)的前提下最大化降低讀寫功耗。

控制器后端NAND 8通道設(shè)計(jì)（vs. 傳統(tǒng)企業(yè)級主控NAND 16通道），相比于16通道主控，后端8通道的控制器可以降低控制器本身大約30%左右的工作功耗，詳細(xì)參見下節(jié)介紹。

英韌科技IG5636主控參數(shù)

2.3SSD后端NAND 8通道 vs 16通道

PCIe 4.0x4和PCIe 5.0x4SSD前端最大帶寬分別是8GB/s及16GB/s，設(shè)計(jì)者為了使SSD達(dá)到最高性能，須根據(jù)當(dāng)前NAND提供的IO速度，來綜合考慮其后端采用的NAND通道數(shù)。如下圖，SSD后端NAND 16通道下，為了達(dá)到PCIe 4.0x4 SSD最高的8GB/s性能，最低NAND IO速度為600MT/s；為了達(dá)到PCIe 5.0x4 SSD最高的16GB/s性能，最低NAND IO速度為1200MT/s。如果SSD后端NAND通道數(shù)減少為8，為了達(dá)到PCIe 4.0x4 SSD最高的8GB/s性能，最低NAND IO速度為1200MT/s；為了達(dá)到PCIe 5.0x4 SSD最高的16GB/s性能，最低NAND IO速度為2400MT/s。

NAND通道和IO速度對應(yīng)圖

傳統(tǒng)的企業(yè)級SSD后端NAND通道為16通道，這可靈活適配和采用更多的低速NAND，來滿足企業(yè)級SSD前端最高性能的需要。

今天，NAND IO速度一路向前，從666MT/s、800MT/s……到最新的ONFI 5.0 2400MT/s，NAND IO在提速，給了SSD后端NAND 8通道條件下就可以滿足PCIe 4.0x4 8GB/s甚至PCIe 5.0x4 16GB/s SSD性能的機(jī)會(huì)。滿足最大性能的同時(shí)，相比于16通道，后端8通道的控制器可以降低控制器本身大約30%左右的工作功耗；同時(shí)，SSD在讀寫操作時(shí)，8通道NAND讀寫并發(fā)數(shù)是16通道的二分之一，這二者大大的減少SSD在相應(yīng)負(fù)載下的整盤工作功耗。簡言之，基于后端NAND少一半通道數(shù)設(shè)計(jì)的企業(yè)級SSD，可以提供給客戶相同的性能，但更低的功耗。

洞庭N1企業(yè)級SSD后端NAND采用 8通道設(shè)計(jì)，如前所述，只要NAND IO速度合適，NAND 8通道可以提供同NAND 16通道的PCIe 4.0 SSD相似的性能，但帶來更低的功耗表現(xiàn)。

3.英韌科技洞庭(Dongting) N1SSD能耗分析

3.1洞庭N1 SSD基本參數(shù)

3.2 洞庭N1 SSD能耗展現(xiàn)

以洞庭N1 7.68T SSD為例，在高壓力順序?qū)懾?fù)載下，洞庭N1輸出4.8GB/s順序?qū)懶阅埽膬H為12W，每瓦輸出寫性能為400MB/s；相比同類型SSD，4GB/s順序?qū)懶阅埽?3W的功耗，每瓦輸出寫性能僅為314MB/s, 洞庭N1能耗比是其1.27倍; 而在高壓力順序讀負(fù)載下，洞庭N1輸出6.7GB/s順序讀性能，功耗低至6.23W，每瓦輸出讀性能為1075MB/s，相比同類型SSD，6.56GB/s順序讀性能，功耗9.63W，每瓦輸出讀性能僅為682MB/s, 洞庭N1能耗比是其1.58倍。參考數(shù)據(jù)如下表：

洞庭N1 SSD vs 同類型SSD能耗比

洞庭N1 SSD高能耗比特性在服務(wù)器和系統(tǒng)端的實(shí)際表現(xiàn)如何呢？

以一臺(tái)典型的存儲(chǔ)服務(wù)器配置12盤NVMe 3.84T SSD為例，隨著IO負(fù)載增加，服務(wù)器功耗（除硬盤外）從200W增至400W。

無負(fù)載情況下，使用某國際廠商SSD產(chǎn)品，SSD總功耗62.4瓦，SSD功耗占整機(jī)功耗23.1%，使用英韌科技洞庭N1 NVMe SSD總功耗32.4瓦，SSD功耗占整機(jī)功耗13.50%，整機(jī)功耗降低30瓦，節(jié)能11.11%。在典型負(fù)載順序讀負(fù)載下，使用某國際廠商SSD產(chǎn)品，SSD總功耗131.64瓦，SSD功耗占整機(jī)功耗25.12%，使用英韌科技洞庭N1 NVMe SSD總功耗75.52瓦，SSD功耗占整機(jī)功耗16.14%，整機(jī)功耗降低56.12瓦，節(jié)能約10.71%。

洞庭N1 SSD整機(jī)功耗測試結(jié)果

總結(jié)：對比同類SSD，洞庭N1從SSD部件端給服務(wù)器在不同IO負(fù)載下分別節(jié)省了5%~11%的電能，相信在國內(nèi)市場中，這樣的能耗比優(yōu)勢也具備強(qiáng)競爭力。而從數(shù)據(jù)中心來看，這將會(huì)極大降低OPEX（運(yùn)營成本），是一款不折不扣的高能低耗的企業(yè)級SSD產(chǎn)品。

4.英韌科技及其國產(chǎn)化企業(yè)級SSD產(chǎn)品系列

英韌科技成立于2017年，五年多來始終專注存儲(chǔ)領(lǐng)域，截至目前已量產(chǎn)了7顆主控芯片，據(jù)稱其PCIe 5.0主控也即將量產(chǎn)，或?qū)⒊蔀榇箨懣刂破鲝S商中第一家量產(chǎn)自研PCIe 5.0控制器的公司。目前，業(yè)界不少主控廠商陸續(xù)進(jìn)入SSD研發(fā)的領(lǐng)域。主控芯片對固態(tài)硬盤的性能、使用壽命及可靠性有重要影響，掌握SSD硬盤的核心技術(shù)也是主控廠商入局的優(yōu)勢之一，英韌科技就是此類廠家。

在充分發(fā)揮自有主控技術(shù)優(yōu)勢的同時(shí)，英韌利用其差異化、定制化的特點(diǎn)，為多家大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、云廠商提供包括QLC閃存顆粒適配、ZNS(Zoned Namespace，分區(qū)命名空間)技術(shù)應(yīng)用、CDN性能保障在內(nèi)的多種高端企業(yè)級SSD及專用化SSD定制方案。

英韌科技的PCIe 4.0企業(yè)級固態(tài)硬盤包括標(biāo)準(zhǔn)NVMe SSD洞庭(Dongting)系列和云存儲(chǔ)專用的ZNS SSD東湖(Donghu)系列，均采用英韌科技自研主控芯片IG5636，最高支持16 TB存儲(chǔ)容量，支持PCIe 4.0x4接口和NVMe 1.4標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)比肩國際品牌，已被多家互聯(lián)網(wǎng)頭部及行業(yè)企業(yè)采用。

其中，NVMe SSD洞庭(Dongting)系列主要適用于各類數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)對存儲(chǔ)設(shè)備日新月異的加速需求，快速TRIM算法有效降低運(yùn)行時(shí)后臺(tái)負(fù)載，降低寫放大，降低延遲和提升壽命，提供出眾而穩(wěn)定的性能，端到端的數(shù)據(jù)保護(hù)，完善的企業(yè)級特性，可以滿足云服務(wù)、數(shù)據(jù)中心各類應(yīng)用的存儲(chǔ)加速需求。

今年，企業(yè)級PCIe 5.0 SSD時(shí)代已來，英韌科技布局未來，于2022年發(fā)布了針對數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的PCIe 5.0 SSD主控芯片Tacoma（IG5669），其順序讀取可達(dá)14GB/s，順序?qū)懭肟蛇_(dá)12GB/s。

Tacoma（IG5669）采用多核RISC-V架構(gòu)和全新LDPC糾錯(cuò)碼。基于對新一代開源CPU架構(gòu)和各類開源軟件工具的充分挖掘，Tacoma（IG5669）在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)，也保障了IP供應(yīng)的安全；對于閃存顆粒壽命有限的問題，英韌科技自研的第三代ECC糾錯(cuò)引擎把出錯(cuò)率降低了兩個(gè)數(shù)量級以上，而且對于內(nèi)存空間有充足的ECC保護(hù)，全方位提升了產(chǎn)品的可靠性和安全性。

5. 總結(jié)

最后，在未來數(shù)據(jù)中心響應(yīng)綠色能源和國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，作為存儲(chǔ)部件，洞庭N1企業(yè)級SSD 憑借后端NAND 8通道設(shè)計(jì)和極致優(yōu)化的主控功耗設(shè)計(jì)方案，打造出了高性能低功耗國產(chǎn)企業(yè)級SSD標(biāo)桿產(chǎn)品，給出了企業(yè)級SSD高性能低功耗解決之道，將受到越來越多數(shù)據(jù)中心用戶的歡迎和采用。