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2019/08/13

[企業儲存觀察室] QLC 快閃記憶體在企業儲存應用上的挑戰

技術可以協助解決或避免一些問題,但身為企業儲存的管理/使用者,有些根本上的技術限制,還是要有所瞭解,才不會被廠商唬弄了。儘管大家都知道免費的最貴,但看到容量又大又便宜的 SSD,很難忍住不出手!又或是報價單上同樣都是 SSD,為什麼 A 廠就比 B 廠貴?A 廠就是要坑你嗎?

圖片來源:TechTarget

這一切都要拜 QLC 以及 3D 快閃技術所賜。這張圖可以解釋不同快閃記憶體技術間的差別。QLC 的耐用度減損與效能不佳的原因,全都與每一個儲存單元有 4 個位元有所關聯。從 SLC 到 QLC,電位差從 2 個變成 16 個,所以處理的過程必須要更精細,處理的時間也會較長,耐用度也會比較差。

QLC 快閃記憶體雖然儲存密度比較高,可以在同樣的尺寸的固態硬碟中提供更高的容量,但這也造成它先天上致命傷:
一是 P/E 循環大約只有 1,000 次。認真的算,1,000 個寫入次數還真的不多,就算每天只有寫入一次,3 年也就掰了。
二是 QLC 的寫入速度也是最慢的,大約是 80-160MB/s 左右的持續寫入速度,這個速度大約是傳統磁碟機的速度。

但是現在市售的 QLC SSD 產品,「看起來」「好像」並沒有這些問題?事實上,市售產品是廠商們已經優化過的結果。QLC P/E 循環的理論值大約只有 100 次,但因為有了 3D 與其它的優化技術,現在廠商們可以把 QLC 的 P/E 循環提高到 1,000 次,TLC 的 P/E 循環也可以提高到 3,000 次。

耗損平均技術 (Wear Leveling) 就是其中必要且最常被使用的優化技術。從名稱上就可以知道,這個技術的目的在於平均使用 SSD 中的每個資料區塊,以避免某些「特定」的區塊因過度使用而耗損。通過整合在快閃記者控制晶片韌體內的耗損平均演算法,理論上可以使快閃記憶體上的所有區塊「幾乎」同時達到其耐久限制,進而延長 SSD 整體的使用壽命。

垃圾清理 (Garbage Collection) 也是必要的一種耗損平均優化機制。與伺服主機的主記憶體管理概念類似;每一個資料實體會被寫入到資料區塊中數個資料頁。單一資料頁可以使用新的寫入進行更新,但一次都必須袜除整個資料區塊,這就意味著小於一個資料區塊的資料更新會浪費未使用資料頁的 P/E 循環,垃圾清理在必要時移動並集中資料區塊來平均耗損。

另外像是之前曾經提過的連續區塊寫入避免 (Contiguous Block Write Avoidance) 技術,當控制晶片發現接下來的操作是在相連的區塊裡都是寫入 0 (做格式化)時,它會直接標示這些位址的資料,而避免進行實際的袜寫增加耗損。
但是即使有以上這些優化耗損的技術,也沒辦法把 QLC 的 P/E 循環戲劇性的增加到 TLC 的水平⋯⋯
延伸閱讀:「關於固態硬碟的可靠度

再來就是如何避免存取效能的問題。解決的方法並不是什麼太先進的技術-快取,在 SSD 裡增加足夠的寫入快取記憶體,讓資料直接寫入效能較好的快取,然後再回存到 QLC 快閃記憶體,這樣就可以維持前端有不錯的資料寫入效能。這裡的「足夠」指的是 SSD 製造商勢必要在成本與效能間取的一個平衡值。QLC SSD 的寫入快取通常會使用 DRAM,有些廠商也會使用 SLC,但無論使用哪一種,為了取得合理的成本,它的容量通常不會很大,而且它們通常不會被標示在產品的規格中。

QLC SSD 的寫入快取存在兩個潛在性的問題。

因為資料是被先寫入到快取中,所以如果遇到大量的持續寫入,資料量比寫入快取的容量還大時,因為快取已經被前面寫入的資料佔滿,整體的寫入效能就會大幅度的下降,這種我們稱之為「寫入懸崖 (Write Cliff)」效應。嚴格來說,寫入懸崖會出現在所有的 SSD 上;但在 SLC 或 MLC SSD 上的寫入懸崖會出現在持續寫入的資料量到達整顆 SSD 容量時,因為所有乾淨的資料區塊都已經被寫入一輪了,接下來就必須進行耗損平均與垃圾回收的工作,才能再繼續寫入資料,因此整體寫入效能在此時就會陡降。具備有寫入快取的 TLC 或 QLC SSD,其寫入懸崖會更早、更頻繁的出現,Tom’s Hardware 的這張圖顯示了在寫入時產生的懸崖效應。

圖片來源:Tom's Hardware

如果使用的是 DRAM 來做為快取,寫入時如果外部電源突然中斷,快取裡的資料就會消失,就有可能出現資料寫入錯誤的狀況。儲存系統裡的快取記憶體也會出現這樣這樣的情況,需要有電池備援將寫入快取裡的資料,快速回存至固態硬碟這樣的資料保護機制;但 QLC SSD 的寫入快取是沒有這樣的保護機制的。

所以,QLC SSD 到底可不可以在企業儲存中使用呢?
老話一句,技術本身沒有好壞,只有適不適用。企業 IT 中的技術選擇,一樣也要「趨吉避凶」,我們要做的是用技術的優點、避開缺點。
所以,QLC SSD 適不適用必須要看你的應用,從 P/E 循環值來看,拿來當作業系統的快取都不太適合,更別說比寫入需求更比系統快取還高的應用。還有,要搞清楚廠商在報價單上的 SSD 型號是使用哪一種快閃記憶體?不要拿香蕉去跟蘋果比價,然後要求香蕉要有蘋果的香味,這就鬧笑話了!