前不久，全球閃存峰會(Flash Memory Summit，以下簡稱FMS)的技術(shù)委員會主席Brian Berg在北京演講時表示，“摩爾定律是一個非常偉大的定律，但是在閃存市場，現(xiàn)在看來閃存技術(shù)的發(fā)展是可以超過摩爾定律的。”
什 么?沒聽錯吧?戈登·摩爾那個偉大的摩爾定律，那個縱貫微處理器乃至整個半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)發(fā)展的摩爾定律，會在閃存技術(shù)的發(fā)展中，失效?但是顯然，當著會議 現(xiàn)場1000多位聽眾，Brian Berg身為全球最大閃存、內(nèi)存方面會議的技術(shù)主席，不會是信口開河，那么，問題顯然就轉(zhuǎn)變?yōu)榱耍?ldquo;為什么閃存技術(shù)的發(fā)展會超過摩爾定律?”
首 先，讓我們先回顧一下摩爾定律：在價格不變的前提下，集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。在過去的五十年(摩爾定律是1965年提 出的)，摩爾定律一直發(fā)揮著效用，但是在最近幾年，隨著制程工藝的進步變得越來越難，認為英特爾等處理器供應(yīng)商無法繼續(xù)延續(xù)摩爾定律發(fā)展的觀點甚囂塵上。 但在閃存技術(shù)上，卻截然相反，持Brian Berg同樣觀點的人認為：“閃存技術(shù)的發(fā)展正在打破摩爾定律，這種打破，是超越而不是無法遵從。”
但為什么閃存技術(shù)會出現(xiàn)超越摩爾定律的情況呢?眾所周知，閃存同樣是一種半導(dǎo)體技術(shù)，其整體容量和性能發(fā)展，應(yīng)當充分遵從摩爾定律，特別是閃存技術(shù)(比如NAND Flash)的制程工藝步進與處理器是類似的：
NAND閃存制程還不是很突出
2014 年市場上的主流制程技術(shù)是三星和東芝的19nm以及SK海力士和英特爾/美光的20nm;2015年，市場正逐步過渡到15nm和16nm技術(shù);到 2016年第四季度，除東芝將提供13nm左右的制程工藝之外，三星、SK海力士、英特爾/美光將會把支撐維持在14nm制程級別——事實上，英特爾的 14nm制程處理器上市已經(jīng)有很長一段時間了，閃存技術(shù)到2016年如果采用14nm制程的話，要比英特爾的微處理器晚了接近3年的時間。
但事實卻是，閃存技術(shù)的發(fā)展，特別是企業(yè)級產(chǎn)品的普及速度確實超乎想象的快：如今在不考慮壓縮或重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)的前提下，以戴爾為例，其全閃存陣列的每GB裸容量已經(jīng)能夠降低到1.5-1.6美元這個區(qū)間，也就是說，大約一年的時間，企業(yè)級全閃存陣列的價格最多降低了60-70%。
另一方面，我們來看企業(yè)級SSD，同樣是一年前，業(yè)界主流產(chǎn)品的最大容量是3.84TB，現(xiàn)在這一數(shù)字是6.4TB，也就是大約提高了一倍，而單盤價格實際 上還略微下降;而據(jù)三星在今年8月份在FMS上展示的路線圖顯示，最早今年年底，最遲明年上半年，三星將可以在2.5英寸封裝中提供約16TB的容量 (15.36TB)。
閃存容量的提高顯然是和NAND Flash的單位容量及密度有關(guān)的，單顆NAND Flash芯片的容量越高，或者說單位面積上的NAND Flash的容量密度越高，SSD的容量(以2.5英寸封裝的SAS、SATA或SFF-8639盤為標準)也就越高。
3D TLC NAND Flash：這么多前綴，怎么解釋？
在 閃存技術(shù)最開始興起的那幾年，我們最常見到的閃存是SLC和MLC，前者即Single-Level Cell，每NAND Flash Cell上都存儲1bit的數(shù)據(jù)，壽命、性能最好，但也更貴，后者即Multi-Level Cell，即2bit/cell，壽命和性能相比SLC有所下降，但成本大約只是SLC的30%左右。
所 謂3D TLC NAND Flash中的TLC，與SLC、MLC所描述的對象是相同的，即Trinary-Level Cell，即3bit/cell，在一個Cell上做到存儲3bit的數(shù)據(jù)是一件相對比較難的事情，成本只是每單元2bit的MLC閃存的約三分之二，速 度和壽命表現(xiàn)雖然相比MLC有所下降，但相對傳統(tǒng)HDD而言，仍然是天壤之別。
但 為什么TLC要比MLC更難實現(xiàn)呢?這就要說下NAND Flash的“存儲機制”，或者說是“如何存儲數(shù)據(jù)”：眾所周知，計算機存儲的數(shù)據(jù)是二進制，也就是1和0，在半導(dǎo)體上，這實際上可以簡單地理解為“有 電”“沒電”或是“電壓高”“電壓低”，也就是只要有可以通過電位表達“非黑即白”就可以了。
所 以，對NAND Flash寫入1，就是控制Control Gate去充電，使得存儲的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示1了，而對于寫入0，就是將其放電，電荷減少到小于Vth，就表示0了——在MLC中，其實 現(xiàn)機制就是，通過控制內(nèi)部電荷 的多少，分成多個閾值，從而儲存為不同的數(shù)據(jù)。
試 想，在2bit/Cell的MLC中要分為幾個閾值?要是3bit/Cell呢?事實上，理論上簡單的事情，在實際中就顯得比較麻煩了：相比SLC來 說，MLC已經(jīng)需要控制4個狀態(tài)，即00、01、10、11，TLC就需要控制多達8個狀態(tài)，顯然這是一個非常困難的事情，每Cell的bit數(shù)量越多， 閾值越多、狀態(tài)越多，更為重要的是，閾值之間的電壓差也就越小(總不能內(nèi)部搞個幾萬伏高壓吧……)，出錯的概率自然也就越高。
需要補充的是，業(yè)界還是有一些“瘋子”是不相信自己做不到任何事情的，某些供應(yīng)商正在考慮4bit的NAND Flash，從來自NAND Flash生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商的消息顯示，東芝很可能是4bit技術(shù)的主要推動者，但就東芝方面的消息表示，“這個東西基本上做出來，很難。”
接下來就要說到3D TLC NAND Flash中的3D，這就涉及到NAND Flash的Die的設(shè)計，而在此之前，我們要對NAND Flash的幾個主要名詞做個解釋。
在NAND Flash中，每一個“芯片”分為Die、Plane、Block和Page，這里所說的芯片，即每一個封裝好的Chip，Die則是晶圓上的小方塊，在 一個NAND Flash芯片中，可以封裝多個Die，無論工藝、技術(shù)有如何不同，Die的概念都是基本相同的。
Plane 則是NAND Flash能夠根據(jù)讀、寫、擦除等命令進行操作的最小單位，一個Plane里面以矩陣的形式包含了若干個Block，這是NAND Flash的最小擦除單位，其中包含了若干個Page，這是NAND Flash的最小讀寫單位(其中包含若干個Byte)。
說回到“3D”，為什么叫3D呢?這是因為過去NAND Flash主要是以2D的形式，也就是在平面上排列NAND Flash Cell(存儲單元)，但三星、東芝等公司后來發(fā)現(xiàn)，完全可以采用多層堆疊的方式，于是也就出現(xiàn)了32層乃至48層堆疊的NAND Flash。以 三星采用的3D Charge Trap Flash(簡稱CTF)結(jié)構(gòu)設(shè)計的3D TLC V-NAND Flash為例，其精密程度已經(jīng)邁入到每顆芯片包含853億個Cell，以3bit/Cell來計算，一共能存儲約2560億bit數(shù)據(jù)。也就是說，在一 個指尖大小的NAND Flash芯片上，可以存儲256Gb的數(shù)據(jù)，而晶圓密度是上一代產(chǎn)品的1.4倍。
東芝NAND Flash業(yè)務(wù)高層Shigeo Ohshima曾透露，NAND Flash的容量會有“持續(xù)的、爆發(fā)式的、翻倍的增長”，他認為，2016年，體積不變的情況下(2.5英寸封裝)容量可以達到32TB，2017年是 64TB，2018年是128TB(歷史同期來看，傳統(tǒng)HDD的容量增長預(yù)測是到2020年20-40TB)。
相比東芝計劃開戰(zhàn)4bit/Cell的NAND Flash，三星則熱衷于“堆積木”，這家公司對當前的32層、48層NAND Flash都不太滿意，放言“2、3年內(nèi)會出現(xiàn)100層以上堆疊的NAND Flash”，不知道到時候東芝心情如何?
說了這么多美麗的遠景，看起來NAND Flash市場是光明一片，至少對三星、美光、SK海力士、東芝等供應(yīng)商來說，摩爾定律基本上不夠這些公司通過3bit、4bit、32層、48層等技術(shù)來進行追趕的了，但摩爾定律的關(guān)鍵在于：既然是“在價格不變的前提下”。那么技術(shù)先進了這么多，密度提高了這么多，成本也自然會下降這么多，那什么時候NAND Flash會出現(xiàn)大規(guī)模的降價呢?
熬著不降價？等到2016年再看！
3、 4年前，市場上對NAND Flash的降價可謂是“一往情深”，NAND Flash供應(yīng)商也好，企業(yè)級存儲系統(tǒng)的供應(yīng)商也罷，媒體、分析機構(gòu)、渠道，都認為“NAND Flash會馬上進入快速價格下降通道”，從而快速的取代傳統(tǒng)HDD在高端、高性能存儲介質(zhì)層的位置。
換句話說，市場非常相信摩爾定律的“魔力”在NAND Flash市場上也能夠發(fā)揮如同處理器一樣的功效，快速取代過去近三十年發(fā)展速度遠遠追趕不上處理器、內(nèi)存的傳統(tǒng)HDD存儲介質(zhì)，可惜，市場告訴我們：真相永遠只有一個，并且這一個永遠都是最殘酷的那個。
根 據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)的數(shù)據(jù)，2009年至2014年，NAND Flash市場的每GB價格年均跌幅，只有2009年、2011年和2012年超過了30%，在2010年、2013年和2014年，每GB成本下降都只 有15%、18%和27%;在2015年至2016年，這一數(shù)字實際上預(yù)期也只是維持在25%-30%的水平上，這一降幅，離摩爾定律所說的“每18個月 翻(降)一番”，可是遠得很!
事實上，這也就是為什么過去3-4年，NAND Flash的出貨量一直維持在年均增長40-50%這樣一個水平線上的主要原因，那么，為什么價格一直遲遲不能真的遵守摩爾定律呢?
這里面的原因非常多也非常復(fù)雜，但總的來說，核心原因有兩個：第一，在東芝、三星、SK海力士之間的競爭中，幾 乎所有的NAND Flash供應(yīng)商都被卷在了這個漩渦中，制程工藝從20nm、16nm到14nm快速推進，1bit、2bit、3bit的介質(zhì)不斷更新，32層、48層 的堆疊快速成型，這些技術(shù)上的進步都影響著這些NAND Flash供應(yīng)商的生產(chǎn)線升級、產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)、供貨產(chǎn)業(yè)鏈以及市場推廣和渠道費用，有一位三星的內(nèi)部人士曾經(jīng)這樣認為：“原本3年內(nèi)要拿出來的產(chǎn)品，被壓縮到2年，再壓縮到18個月，相當于用兩代產(chǎn)品的成本去獲取1代產(chǎn)品的收入”，所以在如此巨大的成本壓力之下，NAND Flash供應(yīng)商要承受的壓力可想而知。
第二個原因和前一個息息相關(guān)，那就是NAND Flash供應(yīng)商希望能夠在閃存市場上持續(xù)獲得“與性能提升成正比的利潤率提升”，就像三星將傳統(tǒng)HDD業(yè)務(wù)出售之后，他們不僅希望高利潤能夠緩解產(chǎn)品迭代所造成的成本壓力，更希望能夠從NAND Flash和傳統(tǒng)HDD之間巨大的性能差距上獲得高額利潤，這也是NAND Flash供應(yīng)商遲遲不愿意降價的主要原因。
從上述的原因說明來看，阻礙NAND Flash價格下降的原因，主要是出在NAND Flash供應(yīng)商本身，這意味著降價空間實際上是比較大的，根據(jù)市場分析機構(gòu)的預(yù)計，各大NAND Flash供應(yīng)商的成本承受能力，大約在2016年上半年會基本上被充分釋放，也就是說，2016年下半年，NAND Flash會迎來一波比較大的價格下降，預(yù)計2016年全年的NAND Flash價格下滑能夠超過40%，逼近50%。
提前釋放降價空間，須保證性能和可靠性
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通過率先引入企業(yè)級TLC 3D NAND SSD，戴爾能夠提供更具價格競爭力的全閃存陣列，并在維護期內(nèi)無條件更換故障SSD(不計數(shù)據(jù)寫入量/磨損程度)。這種承諾在顯示出技術(shù)信心的同時，也讓用戶更加放心。
不 過，對企業(yè)級存儲系統(tǒng)的用戶來說，大可不必等到2016年，前面我們說過，戴爾已經(jīng)將全閃存陣列的價格推進到每GB物理容量1.66美元(僅供參考，與具 體配置有關(guān))。需要指出的一點是，某些存儲系統(tǒng)供應(yīng)商雖然也通過數(shù)據(jù)縮減技術(shù)給出了更好看的數(shù)字，但其中一些會影響到性能。而戴爾SC陣列還支持增強型壓縮，其最大特點是通過與備受好評的自動分層存儲巧妙結(jié)合，其壓縮動作成為定期執(zhí)行的后臺任務(wù)，從而有效避免了對寫入性能的影響。同時，在不額外添加專用硬件的情況下，高效壓縮算法保證了讀性能不下降。
3D NAND在一定程度上改善了TLC的寫入壽命，而戴爾SC還能通過獨特的自動分層存儲技術(shù)，在讀密集型閃存和寫密集型閃存之間做讀/寫分離，進一步保障經(jīng) 濟型企業(yè)級閃存的可靠性。只需要加入一個高寫入耐久度的SLC/eMLC SSD分層承擔(dān)所有寫入負載，既保障了性能，又使隨機/重復(fù)的數(shù)據(jù)IO能夠合并優(yōu)化地導(dǎo)入至TLC SSD，達到了“少花錢，多辦事”的目的。
上 圖來自本月在美國舉行的閃存峰會上一場戴爾的演講《Redefining the Economics of Enterprise Storage》。根據(jù)其中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在20多個月的服務(wù)監(jiān)測周期內(nèi)，Tier 2分層中66%的SSD驅(qū)動器只有不到0.1 DWPD的寫入壓力。進一步的說明包括：1.所有進來的寫入被引導(dǎo)至Tier 1，數(shù)據(jù)只是按需移動;(注：取決于用戶實際寫入量和Replay快照設(shè)置的周期)2.Tier 2 SSD的規(guī)格是每天1次完整寫入(1 DWPD);3.在服務(wù)期內(nèi)，沒有驅(qū)動器的年平均寫入量超過1 DWPD。
從 某些方面來說，企業(yè)級存儲系統(tǒng)的供應(yīng)商為了搶占市場，從2014年底至今，開展了一輪又一輪的“降價”活動，通過其自身與NAND Flash供應(yīng)商巨大的議價能力、新技術(shù)的快速采用以及軟件管理控制能力，提供了比NAND Flash價格下降幅度更大的降價空間。換句話說，2016年下半年的NAND Flash降幅，早就在2015年被企業(yè)級存儲系統(tǒng)供應(yīng)商們提前釋放了。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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