邁入ZB時代的全新儲存架構思路
2019-09-26
作者
劉于葦，EE Times China
整個2018年全球產生資料約32ZB，只有5ZB被儲存。到2023年會有超過100ZB的資料產生，屆時儲存的比例會升高嗎？並不會，在ZB時代必須轉變思維模式，為未來更大規模的資料儲存準備好相關的技術…
快閃記憶體市場真的觸底了嗎？——在記憶體價格經歷了近一年的下滑後，每個人都想問這個問題。
在過去1年中，幾大快閃記憶體供應商都在採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智慧型手機、企業、機器生成的資料推動著資料中心的儲存容量快速地從PB級擴展到EB級，需求的持續提升會令儲存市場逐漸回暖。
「為什麼我會這麼樂觀？因為整個2018年全球產生資料約32ZB，到2023年會有超過100ZB的資料產生，這會改變我們對整個儲存產業的看法和預期。」日前於深圳舉辦的快閃記憶體市場峰會(CFMS2019)上，威騰電子(Western Digital；WD)資深副總裁兼中國區總經理Steven Craig對快閃記憶體市場表達了樂觀的態度。
目前資料來源主要有三個，包括邊緣資料、末端資料，以及在雲端(核心端)將大資料轉換成經過處理的智慧資訊。據IDC報告指出，2018年全球產生的32ZB(Zettabyte，十兆億位元組 ，1ZB約等於1兆GB)資料中，只有5ZB被儲存了下來。
到2023年，大於90%的資料將由機器生成，5G、人工智慧、機器學習，包括視訊監控，甚至4K、8K視訊的廣泛應用，都催生了海量資料產生。屆時儲存量將會上升到12ZB，但佔據產生資料量的比例卻由2018年的15%下降到10%左右。
Craig表示：「這就是我們面臨最核心的問題，資料產生後只有一小部分會儲存下來。儲存產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，為未來更大規模的資料儲存準備好相關的技術。」
應對資料爆炸 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儲存密度。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反覆運算週期。
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，意味著要製造更多的晶圓，導致每平方公尺單位面積的儲存成本上升，如上圖所示3D NAND反覆運算的資本密度。需要多管齊下，首先需要不斷縮小快閃記憶體孔規格，讓儲存孔(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，讓儲存單元(Cell)密度提高；最後提升TLC的位元密度。
「下一代技術要求每個單元實現4位元資料儲存，這是非常艱巨的任務。」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將引領未來儲存的增速，應用在包括在企業級、客戶級還有行動端，行動端的需求尤其大。
QLC高密度的4位元每單元是「一步到位」的解決方案，據預測到2025年3D-QLC會佔50%以上的總位元數出貨量。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？
混合HDD和SSD做分區儲存
「對於WD來說，在資料儲存邁入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。磁片儲存也是如此，我們將傳統的傳統磁記錄(Conventional Magnetic Recording；CMR)技術，轉為疊瓦式磁紀錄(shingled magnetic recording；SMR)技術。」Craig表示，「但還是有寫入限制。」
什麼是SMR？SMR可以為HDD帶來物理和邏輯上的擴展。物理上，增加磁碟數量、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，需要先將疊瓦佈局中重疊磁軌部門的資料移轉走，這需要作業系統，以及應用程式等的支援，對於客戶實際部署要求較高。也是因為這個原因，SMR磁片很難與CMR無縫銜接，但SMR在單盤儲存容量方面的潛力，對於爆炸式資料增長帶來的儲存需求，還是極具誘惑力。
如何發揮SMR在單盤儲存容量方面的優勢，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儲存容量，這也是WD分區儲存計畫誕生的背景。
分區命名空間(Zoned Namespaces；ZNS)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援，能夠享用SMR技術帶來的硬碟儲存容量最大化紅利；融入ZNS標準的NVMe SSD則延續快閃記憶體擴展，擁有更好的耐久性、可預知的低延遲和服務品質(QoS)性能，實現QLC的規模部署。
Craig表示：「分區儲存是一項開放原始碼、基於標準的技術提案，使資料中心能夠經濟高效地對儲存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替換最激烈？
會後，WD產品市場部副總裁朱海翔先生，WD產品市場部總監張丹女士接受了《電子工程專輯》中國版採訪。
對於資料端到端的架構，朱海翔認為，資料主要由終端透過不同的應用產生，然後在邊緣運算或分散式資料中心進行初步整合和分析。最後，在雲端資料中心透過一些大資料技術分析，資料價值才會最終體現。「今天大多數的資料，還是人為方式產生的。比如說微信，在一些平台上分享文字、圖片、視訊，以及現在非常流行的短視訊抖音、快手等等，這些都是人產生的資料。但是隨著5G萬物互連的發展，可以預見，到2023年全球90%的資料都會由機器產生。而由機器產生的資料有獨有的特性，大多數都是順序型寫入的流媒體資料。」
針對機器產生的宏大海量資料類別和新特性，儲存產業怎麼把這個挑戰變成契機？增加儲存量無疑是最需要解決的問題。今年越來越多96層3D NAND被用在資料中心，各個廠商也在積極開發1XX層儲存密度的3D NAND，「但是這只局限於儲存介質的密度增加上，如果最終想要在資料中心使用最高密度QLC，而不是現在的TLC，需要解決QLC在資料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，要重新看整個資料的基礎架構。所以今年6月WD推出了分區儲存技術，我們相信這個技術可以從全新的角度幫助整個產業，尤其是在資料中心快速的部署最高儲存密度的QLC。」
其實在儲存介質的選擇上，WD是一家比較獨特的公司，他們在HDD產業有開發和製造的垂直整合能力，在SSD上也是一樣。所以在推薦客戶才用HDD還是SSD上，「WD並沒有偏好，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，在不同的產業裡，對於HDD和SSD互相過渡的速度和範圍是不一樣的，其中三個產業是全球使用傳統機械硬碟最大的產業：資料中心、個人電腦，以及視訊監控產業。」
朱海翔介紹，「這三個產業情況不一樣。在資料中心產業，HDD每年的年負荷增長率可達34%，WD稱為企業級HDD。因為成本、性能整合的優勢，相比之下大多數的雲端廠商還是願意大量用HDD來儲存。SSD在雲端資料中心中增長速率比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4~5年之後，資料中心絕大多數的儲存媒介仍然是HDD，而不是SSD。」
個人電腦產業則完全不一樣。2018年個人電腦裡面的儲存介質已經有50%轉變為 SSD，今年可能已經達到60%，大概兩三年之後會達到80%以上。所有的個人電腦都傾向於使用SSD，而不是傳統的機械硬碟。
第三個視訊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，近年來中國視訊監控儲存的需求量，在全球已經超過50%，但絕大多數的儲存需求還是HDD，而不是SSD。朱海翔表示：「因為wd和這些廠家都有緊密的合作，並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。」
本文為EE Times China原創文章
