近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)、大模型、IoT等技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)應用的規模也迅速增長(cháng)，由此產(chǎn)生了大量數據存儲和處理需求。據估計【1】，2023年全世界產(chǎn)生了147 ZB數據，到2025年這個(gè)數字將變成181 ZB。不僅數據量快速增長(cháng)，大模型、HPC等應用對性能要求也很高，傳統大容量HDD無(wú)法滿(mǎn)足。在此背景下，2024年大容量QLC SSD的市場(chǎng)份額得到了快速增長(cháng)。

本期開(kāi)始我們將分為三期圍繞QLC SSD的優(yōu)缺點(diǎn)、應用收益、設計難點(diǎn)，以及適用場(chǎng)景等方面展開(kāi)討論。

QLC SSD與TLC SSD哪個(gè)更強

本文選取了兩個(gè)有代表性的QLC SSD和TLC SSD盤(pán)片進(jìn)行對比^【1,2】。

QLC SSD的單盤(pán)最大容量為61.44TB，而典型TLC SSD的最大容量為7.68TB。存儲相同數據量，QLC SSD占用更少的機架空間。在單盤(pán)故障的情況下，QLC SSD的影響范圍也更大。因此，QLC SSD更適合用在具有多盤(pán)之間數據冗余保護的系統中，如全閃陣列、全閃分布式存儲等。在這樣的系統中，單盤(pán)失效不會(huì )導致整個(gè)系統業(yè)務(wù)斷供。

◎圖1：典型QLC SSD與TLC SSD對比

盡管QLC SSD的單盤(pán)功耗更大，但由于其單盤(pán)容量更大，因此QLC SSD每個(gè)TB的平均功耗更小。典型QLC SSD平均每TB功耗為0.2W，而TLC SSD平均每TB的功耗為1.1W。按照一臺服務(wù)器配置12片SSD、服務(wù)器（不含SSD）功耗500W計算，QLC SSD的整系統每TB功耗是0.9W，而TLC SSD為6.5W，兩者之間相差懸殊。

QLC在每個(gè)cell中存儲4 bits信息，相比TLC的信息存儲密度更高。但是QLC的擦寫(xiě)次數相對TLC更少，這導致QLC SSD的耐久性比TLC SSD差一些。典型QLC SSD的DWPD值為0.58，而TLC SSD的DWPD為1，相差并不懸殊。

大尺寸順序讀寫(xiě)請求的性能與小尺寸（4KB）隨機讀性能，QLC SSD與TLC SSD均基本持平。

4KB隨機寫(xiě)性能，QLC SSD只有TLC SSD的五分之一左右。QLC SSD只有38K IOPS，而TLC SSD達到了200K IOPS。下一期將詳細解釋造成這種差異的原因。

從以上對比可以看出，大容量QLC SSD特別適合數據量大、存儲成本敏感、性能要求高、且讀多寫(xiě)少的場(chǎng)景。

QLC SSD與HDD的主要差異

◎圖2：典型QLC SSD與HDD對比

如圖2所示，與QLC SSD相比，HDD的最大容量小很多。HDD的順序讀寫(xiě)和隨機讀寫(xiě)性能與QLC SDD相比都差很多。HDD的單盤(pán)功耗小一些，但是每TB平均功耗比QLC SSD差很多。

雖然HDD沒(méi)有每日寫(xiě)入數據量（DWPD）這個(gè)指標，但是HDD有一個(gè)workloads rate指標，例如Ultrastar^? DC HC560的workloads指標是每年最多550TB。如果讀出和寫(xiě)入的數據量超出workloads值，那么HDD的性能會(huì )降低，并且可靠性指標年故障率（AFR）也會(huì )上升。如果把workloads視為DWPD，那么這款HDD的DWPD只有0.075，這與QLC SSD的0.58相差很大。

與HDD相比，QLC SSD每TB價(jià)格高，QLC SSD另外一個(gè)短板是數據保持時(shí)間短一些，斷電之后QLC SSD的數據可靠保持三個(gè)月左右，超過(guò)三個(gè)月就有數據丟失風(fēng)險。如果不斷電，而是讓QLC SSD一直處于帶電空閑狀態(tài)，則沒(méi)有數據丟失風(fēng)險。

QLC SSD的TCO更低

未來(lái)在很長(cháng)一段時(shí)間內，HDD在每TB采購價(jià)格上仍然顯著(zhù)優(yōu)于QLC SSD。但是，QLC SSD的每TB功耗更低，在很多應用場(chǎng)景中，QLC SSD的總體擁有成本比HDD更低，下面以一個(gè)100PB對象存儲系統為例來(lái)說(shuō)明。

對象存儲用來(lái)保存圖片、視頻等數據，數據量特別大，對性能要求不高，對存儲成本要求比較苛刻。因此，現在大多數對象存儲是基于HDD的，或者用少量SSD做緩存，完整數據存儲在HDD上。

由于對象存儲的易用性和可擴展性很好，公有云上對象存儲價(jià)格比塊存儲便宜很多，越來(lái)越多上層應用把數據保存在對象存儲中。例如，很多公有云上的在線(xiàn)分析型（OLAP）數據庫的數據就保存在對象存儲中。因此，未來(lái)勢必會(huì )對對象存儲提出更高的性能要求，除了順序訪(fǎng)問(wèn)的吞吐量要求之外，還會(huì )提出更高的IOPS要求。

下圖是一個(gè)100PB的對象存儲系統，使用不同硬盤(pán)來(lái)構建，其結果差異很大。其中三種硬盤(pán)分別是3.5寸20TB HDD、61.44TB QLC SSD、7.68TB的TLC SSD?？梢?jiàn)使用QLC SSD的對象存儲系統所需的服務(wù)器數量、機架數量都更少，能耗也更低，性能卻高很多。隨著(zhù)價(jià)格逐漸降低，高密度QLC SSD將會(huì )逐漸進(jìn)入對象存儲系統，逐步替代HDD。

◎圖3：100PB對象存儲系統使用不同盤(pán)的情況對比

利用硬盤(pán)模擬磁帶機的在線(xiàn)備份系統，寫(xiě)入數據量大，對存儲空間成本要求苛刻。傳統觀(guān)念認為，在線(xiàn)備份只能使用HDD，SSD無(wú)法滿(mǎn)足成本要求。但是，大容量QLC SSD成本下降到一定程度時(shí)，會(huì )在大部分在線(xiàn)備份系統中替代HDD。

◎圖4：100PB對象存儲系統用不同盤(pán)的機架數量對比

研究表明^【4】，在一個(gè)10PB存儲容量的大模型應用環(huán)境中，相較于 HDD 和 TLC SSD 混合系統，完全采用 QLC SSD 的系統在能耗效率方面優(yōu)勢顯著(zhù)，足足高出 79.5%。

綜上對比，QLC SSD、TLC SSD以及HDD三種盤(pán)型中，QLC SSD在單TB上的平均功耗更小、存儲密度更高，在對象存儲等系統中總TCO更低，這些都將推動(dòng)存儲的更新?lián)Q代。

參考鏈接：

1.https://explodingtopics.com/blog/data-generated-per-day

2.https://www.solidigmtech.com.cn/products/technology/d5-p5336-product-brief.html

3.https://download.semiconductor.samsung.com/resources/data-sheet/Samsung_SSD_PM9A3_Data_Sheet_Rev1.0.pdf

4.https://signal65.com/wp-content/uploads/2024/12/Solidigm-100MW_Signal65-Insights.pdf