为什么QLC NAND才是ZNS SSD最大的赢家？

根据有关数据统计，目前SSD出货的DWPD小于1的占比达到85%，这几年一直维持在85%-86%，后续可能会继续扩大占比。也就是说，这个市场上的对SSD的寿命的诉求并不是很强烈，不需要DWPD很高的SSD。这也侧面说明了，行业内对已不再完全SSD硬件本身的特性来达到整个系统的可靠性。分布式存储，全闪存阵列，各种针对SSD优化的存储软件系统也是遍地开花。这个也给了QLC SSD大规模普及提供了有力的条件。

我们在回顾下NAND常见的四个类型：SLC、MLC、TLC、QLC。SLC的Program/Erase(P/E) Cycle可以达到10万，MLC P/E cycle可以到1万，到TLC 3000次P/E cycle，再到QLC NAND只有1000 P/E cycle。P/E cycle是表征SSD寿命的最重要的参数。

我们可以看到，随着单个cell含有的bit数越多，NAND的可靠性也会有所降低，自然成本也会继续下降，QLC的成本只有SLC成本的1/4。除了寿命可靠性，QLC处于劣势，还有在性能方面也有所降低，如下图，QLC NAND单个page页的写延迟是SLC的8倍，是TLC的2倍，读延迟是SLC的4倍，是TLC的约1.3倍。

既然QLC可靠性和性能都比TLC差，那QLC还有什么用？是不是就可以放弃了？

实则不然，QLC的出现并不是为了取代SLC/MLC/TLC这些前辈，实力也不允许完成替代。QLC更是对TLC SSD的补充，让SSD市场更加的丰富多彩，QLC SSD最终的目标是为了取代HDD机械硬盘。机械硬盘给我们的印象就是又笨重又大的壳子，SSD更加的轻便。机械硬盘主要的使用场景是数据备份等存储需要，容量很大，随便都是8T起步，目前最大的更是达到20TB以上。而SSD目前最大的TLC基本只有8T，大多是1T/2T/4T，更小的还有256GB/512GB。QLC的容量相对要大，可以达到15TB以上。

随着容量的增加，在解决方案中还有一个因素需要考虑：IOPS/TB, 也就是单TB达到的IOPS性能。容量的增加，会让每TB获得的IOPS性能也相应的下降。QLC SSD如果要在容量增加的基础上，继续保持竞争力，IOPS也是非常关键的因素。对比不同协议接口SATA/SAS/PCIe可以清楚的发现，QLC SSD搭配PCIe协议接口才是当下最具竞争力的CP组合。

基于以上的性能数据对比，QLC SSD想要闯出一片属于自己的天空，不能正面硬刚，要选择自己擅长的领域。QLC在读方面与TLC的差异不大，因此QLC SSD的目标使用场景也主要是读为主的业务场景。TLC/QLC分别在block size块大小和读写分布的适用性，如上图总结。找准了自己的定位，QLC SSD就可以发挥自己的优势，带着梁静茹给的勇气向前出发了！

ZNS出现的背景是什么？ZNS SSD的原理是把namespace空间划分多个zone空间，zone空间内部执行顺序读写。

在ZNS的场景下，不同应用按照Zone配置信息，相应存放业务数据。由于是Host管理数据的摆放和存取位置，会最大程度减少GC垃圾回收，降低SSD内部的写放大，提升SSD的寿命。

减少SSD的DRAM空间和去掉OP冗余空间，提升用户可用的容量。

回到我们今天核心的疑问：为什么QLC NAND是ZNS SSD最大的赢家？QLC NAND 和 ZNS 结合会带来哪些收益？

• 成本效益：QLC NAND，与 TLC 相比，它具有更高的存储密度和更低的成本。在 ZNS 设备中，由于其设计倾向于顺序写入，因此可以更好地利用 QLC NAND 的高密度特性，从而提供更高容量、更具成本效益的解决方案。
• 耐用性提升：ZNS 设计有助于延长 QLC NAND 的使用寿命。传统 SSD 需要频繁进行垃圾回收操作以管理已擦除和未使用的空间。然而，ZNS SSD 允许更高效的数据管理和擦除策略，减少了不必要的读/写操作，从而降低了对闪存单元的磨损。
• 性能优化：由于 ZNS 设计鼓励顺序写入，所以它可以有效地避免在 QLC NAND 上出现过多的随机写入。这有利于减少写入放大效应，提高写入性能，并降低延迟。
• 易于管理：ZNS 提供了一个更加结构化的数据组织方式，使固件和主机系统能够更容易地跟踪和管理数据。这种简化对于 QLC NAND 特别有用，因为它的编程和擦除速度通常较慢，且有较高的比特错误率。
• 未来趋势：随着技术的进步，QLC NAND 已经成为大容量存储设备的主流选择。ZNS 技术作为一种新的存储接口规范，正逐渐被业界接受并应用于数据中心和企业级应用。通过结合这两种技术，制造商可以提供更大容量、更好性价比的产品，以满足不断增长的数据存储需求。

在ZNS SSD设计中，也有很多的挑战：

1. Open Zones 对写入缓冲区的需求：保持大量的 open zones（例如 1K+）会增加对带宽的需求，并要求控制器提供足够的缓冲空间来管理并发写入请求。这需要较大的高带宽写入缓冲区以降低延迟并优化性能。

2. Charge-trapping QLC NAND 的编程需求：由于 charge-trapping QLC NAND 需要两次编程操作和两次数据传输，以及 要解决CTF相邻位之间的耦合效应可能导致编程电压分布不均匀引入的N WL gaps，因此在处理写入请求时可能需要更大的缓冲空间。这会进一步增加对写入缓冲区的需求。

   这也是为什么FG架构QLC NAND SSD性能比CTF架构QLC NAND SSD性能要好（具体介绍请参考：浅析不同NAND架构的差异与影响）

   尽管存在这些问题，但 charge-trapping QLC NAND 的高密度和低成本优势使其成为大容量存储应用的理想选择。

3. 写入冲突管理：为了处理 write-write collision 和 write-erase collision，SSD 控制器需要额外的缓冲空间来存储等待写入的数据。这导致了对写入缓冲区容量的需求增大。
4. SSD 控制器内部 SRAM 的限制：通常情况下，SSD 控制器内部的 SRAM 容量有限（通常为 8-16MB），可能不足以满足所有 open zones 的数据操作和编程缓冲需求。
5. 使用 DRAM 的限制：虽然可以考虑使用 DRAM 作为编程缓冲区，但 DRAM 带宽有限，并且受到超级电容的影响。此外，DRAM 的成本也相对较高。
6. RAID 纠错码 (parity) 缓冲区大小和容量开销：在使用 RAID 纠错机制的环境中，需要预留额外的空间用于存放 parity 数据。这增加了对 SSD 控制器资源的需求，并可能导致容量上的开销。

为了解决以上问题，业内有这么一种做法，使用 2-stage 缓存（SRAM+DRAM）处理数据操作和编程的方案：

• SRAM：用于 RAID 编码、FW 元数据插入以及 RAID 纠错码 (parity) 缓冲区。

• DRAM：用作 SLC 或直接编程 QLC 的数据缓冲区。

• SLC Copyback：这种方法将待编程的数据先写入到 SLC 区域，然后再从 SLC 区域复制回 QLC 区域。由于 SLC 的编程速度较快，可以减少整体的编程时间。然而，这种策略需要额外的硬件资源来监控 SLC 块的 RBER，并确保数据的可靠性。

• SLC Backup：这种方法将待编程的数据直接存储在 DRAM 中，然后一次性写入到 QLC 区域。虽然这种方法可能会消耗更多的 DRAM 带宽，但它避免了在不同区域之间进行数据移动，简化了数据管理过程。

在不同的Zone的大小，对Open Zone数量和RAID配置有不同的需求。ZNS 和 Die-block 结合使用可以带来一些优势，包括更好的数据组织、更高的 I/O 性能以及更有效的资源管理。ZNS 可以将存储设备划分为一系列连续的逻辑分区（zones），每个 zone 具有预设的最大容量。这种设计有利于顺序写入，从而降低写入放大效应和延迟。但也存在一些潜在挑战，如如何有效地分配和管理 zones，如何平衡不同 dies 或 LUNs 之间的负载等。

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