在語(yǔ)言大模型（LLM）、推理大模型（如DeepSeek）等AI應用爆火的當下，數據存儲和訪(fǎng)問(wèn)速度、模型訓練與推理效率等相關(guān)話(huà)題也逐步升溫，SSD在其中扮演著(zhù)不可或缺的角色。跟隨本欄目，快速了解SSD存儲正在進(jìn)行著(zhù)哪些變革。

上期我們對QLC SSD、TLC SSD以及HDD分別進(jìn)行了優(yōu)勢對比，并得出了成本分析。本期將重點(diǎn)介紹QLC SSD在設計上存在的諸多挑戰及解決之道。

更大的內部扇區尺寸

從硬件設計及成本上考慮，高密度QLC SSD存儲容量增加時(shí)，其配置的DRAM容量通常不變，這意味著(zhù)盤(pán)內單位扇區（Indirect Unit）會(huì )變大。

例如，標準的4TB TLC 4KB扇區SSD需要配置4GB DRAM來(lái)保存L2P表。對于64TB QLC SSD若其DRAM的配置容量保持不變，則必須使用64KB扇區。此時(shí)如果執行一個(gè)4KB的隨機寫(xiě)IO，則需要執行“讀-改-寫(xiě)”的過(guò)程，這將產(chǎn)生16倍的寫(xiě)放大。而TLC SSD的4KB隨機寫(xiě)則無(wú)此問(wèn)題。

因此，盡管QLC SSD大尺寸連續寫(xiě)性能與TLC SSD持平，但是其4KB隨機寫(xiě)性能遠低于TLC SSD，根源在于其內部扇區更大。

在操作系統下發(fā)給SSD盤(pán)的讀寫(xiě)請求中，尺寸小于4KB的請求較為少見(jiàn)，而實(shí)際運行中4KB的讀寫(xiě)請求數量卻不少，主要源于以下幾個(gè)方面：

l  塊設備接口的邏輯扇區（LBA）尺寸是512B或者4KB；

l  主流操作系統的內存頁(yè)面的尺寸設定為4KB；

l  文件系統的空間分配單位通常不小于4KB。

針對這些問(wèn)題，操作系統的內存管理和文件系統正在積極修改，以適應更大的SSD內部扇區尺寸，隨著(zhù)時(shí)間的推移，技術(shù)將逐步演進(jìn)成熟，更好地支撐大型內部扇區。

另外，當前的DWPD測試標準是基于JEDEC JESD218制定的，采用4KB寫(xiě)負載進(jìn)行評估。雖然4KB寫(xiě)負載并不能準確模擬實(shí)際應用中可能出現的各種工作負載，但是DWPD仍然是評估SSD性能的重要指標，因而必須堅持使用統一的測試標準?？紤]到QLC SSD的盤(pán)內扇區較大的特性，在這一測試標準下，DWPD測試結果通常會(huì )顯得較為遜色。

解決此類(lèi)現象的思路包括對DWPD測試標準進(jìn)行調整，使用更加適合QLC SSD特性的寫(xiě)負載進(jìn)行評估，或者針對QLC SSD制定專(zhuān)項的測試規范，結合其特有的存儲單元結構和寫(xiě)入機制，以便更準確地反映QLC SSD在不同使用場(chǎng)景下的表現。行業(yè)內的標準化組織也能盡早推動(dòng)，形成能夠覆蓋不同NAND類(lèi)型的綜合性測試標準，以體現更公平的性能評估。

布局和堆疊

目前大容量的SSD普遍采用TLC或QLC NAND，一般會(huì )采用16~32顆NAND FLASH顆粒。顆粒數量的增加會(huì )帶來(lái)整盤(pán)的器件布局、PCB堆疊設計的挑戰。

一般企業(yè)級的SSD，主要器件包括1顆SoC，5-10顆DDR（含ECC），多顆NAND FLASH顆粒，備電電容等。要在有限的空間內實(shí)現，對PCB的布局密度提出了更高的要求。

表1、常見(jiàn)企業(yè)級SSD硬件形態(tài)

在極端的場(chǎng)景下，例如9顆DDR+32顆NAND FLASH，單層PCB已經(jīng)無(wú)法放下， 此時(shí)就需要用兩層或者更多層PCB堆疊來(lái)實(shí)現，PCB通過(guò)柔性PCB或者接插件鏈接。比如憶聯(lián) UH610 SSD，采用了高密布局和兩層PCB堆疊來(lái)實(shí)現。

圖1、憶聯(lián)UH610采用柔性PCB

此外，大容量SSD的NAND顆粒一般采用ODP或HDP的封裝，也就是一個(gè)顆粒（package）會(huì )封裝8個(gè)或者16個(gè)Die。對于HDP來(lái)說(shuō)，芯片的高度就會(huì )稍高于采用ODP、QDP等Die數較少的封裝形式，進(jìn)而影響結構的堆疊設計。

功耗和散熱

對于單個(gè)SSD來(lái)說(shuō)，雖然最大功耗的上限是固定的，但是由于降額的要求，最大功耗場(chǎng)景在一般的業(yè)務(wù)運行過(guò)程中很難出現，我們需要更多關(guān)注的是業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的“典型功耗”。

表2、各硬件形態(tài)SSD最大功耗

一方面，受限于供電、散熱和SI，即使是大容量的SSD，其最大性能仍略低于普通容量的SSD。但在典型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，兩者可達到的性能是基本一致的。SoC的功耗主要取決于性能，因此對于某一款具體的SoC而言，相同業(yè)務(wù)壓力下的功耗，可以認為是基本不變的。

另一方面，隨著(zhù)SSD容量的增加，采用的介質(zhì)（NAND FLASH）不論是Die的數量，還是單Die的容量，均會(huì )增加。采用4KB FTL（Flash Translation Layer）粒度的標準SSD，為了支撐更大的物理容量，FTL表項數量也會(huì )隨容量成比例增加，帶來(lái)DDR顆粒的容量或數量增加。NAND FLASH和DDR顆粒的增加，不論是數量，還是總的Die面積（即規模）增加，都會(huì )使漏電流隨之變大，進(jìn)而導致SSD靜態(tài)功耗增加。因此整盤(pán)的功耗會(huì )隨著(zhù)容量增加而增大。

圖2、2TB和16TB SSD 14G帶寬順序讀功耗分布

從單個(gè)SSD的角度來(lái)看，布局密度增加以及PCB的堆疊設計，增加了SSD的風(fēng)阻，帶來(lái)了更高的風(fēng)壓，風(fēng)量就會(huì )降低，用于熱交換的空氣變少，導致SSD溫度升高。

圖３、阻力越大，風(fēng)量越小

SSD上的器件（NAND、DDR等）功耗增加，會(huì )使流經(jīng)SoC的空氣，被更多的加熱；外殼殼體也會(huì )被加熱到更高的溫度，也會(huì )使SSD溫度升高。

對于一個(gè)系統來(lái)說(shuō)，不論是服務(wù)器還是專(zhuān)用的存儲設備，散熱都需要滿(mǎn)足SSD的最大功耗的要求。但是如前面分析，我們更應該關(guān)注“典型功耗”。大容量SSD的典型功耗增加，意味著(zhù)同樣業(yè)務(wù)性能下，需要更高的風(fēng)扇轉速或者液冷工質(zhì)流速，提供更多的風(fēng)量或流量散熱。

綜上所述，QLC SSD在逐漸嶄露頭角的同時(shí)，也在不斷攻克內部扇區尺寸、布局與堆疊、功耗與散熱等設計上的挑戰，這些創(chuàng )新也為QLC SSD的進(jìn)一步應用鋪平了道路。

隨著(zhù)市場(chǎng)對存儲解決方案需求的不斷演變，QLC SSD將會(huì )在哪些業(yè)務(wù)場(chǎng)景中取得領(lǐng)先優(yōu)勢，又將如何推動(dòng)存儲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展呢？敬請持續關(guān)注本系列文章。