全球正在進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，中國(guó)的“十四五”規(guī)劃也重點(diǎn)提到發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，作為第五種生產(chǎn)要素的數(shù)據(jù)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，各種大、中、小型數(shù)據(jù)中心業(yè)已成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施。在這項(xiàng)龐大的新基建工程中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將不可避免地成為基石技術(shù)。

隨著存儲(chǔ)需求的快速增長(zhǎng)，QLC等大容量、高密度的新型閃存芯片逐漸投入應(yīng)用。然而QLC等新型閃存芯片的錯(cuò)誤率更高，在企業(yè)級(jí)SSD對(duì)數(shù)據(jù)安全性和可靠性要求更高的情況下，SSD主控芯片的ECC(糾錯(cuò)碼Error Correcting Code)技術(shù)越來(lái)越成為企業(yè)級(jí)SSD的核心技術(shù)和性能保障。

近日，云岫資本合伙人兼首席技術(shù)官趙占祥訪談了全球領(lǐng)先的企業(yè)級(jí)SSD主控芯片公司英韌科技副總裁陳杰，共同探討企業(yè)級(jí)SSD對(duì)ECC的新要求，核心觀點(diǎn)整理如下：

企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng)正高速增長(zhǎng)

伴隨5G、大數(shù)據(jù)、 AI及云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，大量的新商業(yè)應(yīng)用將催生出對(duì)邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的海量需求。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，全球數(shù)據(jù)總量預(yù)計(jì)2020年達(dá)到44ZB，5年年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)41.0%，其中超過(guò)50%的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心；2025年，全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到175ZB，5年年均復(fù)合增長(zhǎng)率31.8%，而數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)量占比將超過(guò)70%。企業(yè)級(jí)SSD作為數(shù)據(jù)中心越來(lái)越重要的存儲(chǔ)介質(zhì)，2020年出貨量將達(dá)到3560萬(wàn)個(gè)，平均容量達(dá)到2.7TB，出貨總?cè)萘枯^2019年增長(zhǎng)近30%。

下圖是近年來(lái)中國(guó)閃存市場(chǎng)發(fā)布的企業(yè)級(jí)SSD平均容量和出貨量增長(zhǎng)趨勢(shì)。2020年，疫情帶來(lái)的在線(xiàn)辦公和網(wǎng)課需求加速了數(shù)據(jù)中心SSD的需求增長(zhǎng)，因此，其實(shí)際增長(zhǎng)高于預(yù)期。

QLC SSD在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用趨勢(shì)

在控制成本的前提下，提升數(shù)據(jù)中心的容量、實(shí)時(shí)性等性能，是目前數(shù)據(jù)中心的主要需求。受需求驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)中心使用QLC是大勢(shì)所趨。

首先，使用QLC SSD將為服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心帶來(lái)更低的讀延遲，使其更適用于實(shí)時(shí)性要求更高的數(shù)據(jù)讀取密集型應(yīng)用，如AI計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、金融數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和各種在線(xiàn)大數(shù)據(jù)信息挖掘等。

其次，QLC在海量數(shù)據(jù)中具有巨大的成本優(yōu)勢(shì)，因此相較于SLC\MLC\TLC，陳杰認(rèn)為QLC最有可能在數(shù)據(jù)中心有更大的應(yīng)用場(chǎng)景。QLC本身容量大、成本低，使用了QLC SSD之后，存儲(chǔ)密度更高，服務(wù)器集成度更高，這會(huì)極大節(jié)省數(shù)據(jù)中心面積，進(jìn)而節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

與此同時(shí)，世界各大主流NAND FLASH廠商，如美光、Intel、鎧俠和長(zhǎng)江存儲(chǔ)積極致力于QLC的研發(fā)，并相繼發(fā)布了各自的QLC產(chǎn)品。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們普遍擔(dān)心的QLC擦寫(xiě)壽命少正逐漸被改善和提高，比如從早期的500次擦寫(xiě)提高到近年來(lái)的2000次擦寫(xiě)。未來(lái)的NAND會(huì)有更多層，以及即將推出的PLC（i.e., 5-bit per cell）， 都會(huì)使得成本被進(jìn)一步降低，同時(shí)也將加速Q(mào)LC的應(yīng)用進(jìn)程。

當(dāng)然QLC也有缺點(diǎn)，它的寫(xiě)延遲是12ms，非常長(zhǎng)，目前的擦寫(xiě)次數(shù)通常只能達(dá)到2000，另一個(gè)應(yīng)用中的較大問(wèn)題是Data Retention，這些都需要通過(guò)主控技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

作為全球技術(shù)領(lǐng)先的SSD主控設(shè)計(jì)公司，英韌科技從2016年成立之初，就和美光、鎧俠在QLC方面開(kāi)展合作。

基于特有的專(zhuān)利編解碼技術(shù)，英韌科技于2018年成功研發(fā)并全面啟用4K LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)Low-Density Parity-Check）糾錯(cuò)技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于自主研發(fā)的消費(fèi)級(jí)和企業(yè)級(jí)主控芯片中（如Shasta+ 和 Rainier），極大地降低了系統(tǒng)UBER(不可糾錯(cuò)誤碼率Uncorrectable Bit Error Rate），引領(lǐng)了糾錯(cuò)編解碼技術(shù)在行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

目前英韌的PCIe SSD各類(lèi)主控芯片Shasta+及Rainier系列均支持4K LDPC，糾錯(cuò)能力可以完全覆蓋QLC NAND。

4K LDPC牛在哪兒？

隨著NAND Flash的制程越來(lái)越先進(jìn)、單個(gè)Cell里的bit數(shù)量不斷增加，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率也隨之增長(zhǎng)，因此市場(chǎng)對(duì)SSD主控的糾錯(cuò)能力要求越來(lái)越高，糾錯(cuò)技術(shù)已成為SSD主控廠商的核心技術(shù)能力。

目前的SSD主控芯片大都采用LDPC編碼來(lái)做ECC糾錯(cuò)，但是受限于芯片面積等因素，主流量產(chǎn)的主控芯片主要采用2K LDPC編碼。

2018年，英韌科技推出了4K LDPC并在2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨。在同樣的碼率下（糾錯(cuò)碼使用bit數(shù)量一樣），實(shí)測(cè)4K LDPC糾錯(cuò)比2K方案降低UBER至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，大大提高糾錯(cuò)性能。除此以外，英韌主控采用自主研發(fā)的LDPC專(zhuān)利算法，在解碼算法迭代的時(shí)候，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新并優(yōu)化解碼規(guī)則，因此糾錯(cuò)能力比同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手方案提高30%。

在芯片中實(shí)現(xiàn)4K LDPC的難度很大，如果不做優(yōu)化，相當(dāng)于至少2個(gè)2K LDPC，因此對(duì)面積、功耗都有極大的挑戰(zhàn)和要求。英韌科技從芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始，就考慮到了這些問(wèn)題，針對(duì)不同的功耗、復(fù)雜度和吞吐率等需求，研發(fā)了多種不同性能的LDPC解碼專(zhuān)利算法，同時(shí)利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，對(duì)各種解碼算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，使得這些算法硬件復(fù)雜度和在滿(mǎn)足各自的需求方面都達(dá)到最優(yōu)。最終實(shí)現(xiàn)功耗和面積達(dá)到現(xiàn)有條件下的極致優(yōu)化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2K LDPC的2倍。

無(wú)論當(dāng)下還是未來(lái)，SSD主控芯片廠商必須要有糾錯(cuò)算法的自研能力，才能在主控設(shè)計(jì)中游刃有余。

英韌科技的LDPC糾錯(cuò)碼核心完全自主可控，其糾錯(cuò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面，其一是研發(fā)設(shè)計(jì)LDPC糾錯(cuò)碼。

設(shè)計(jì)并構(gòu)造性能優(yōu)異的LDPC校驗(yàn)矩陣是至關(guān)重要的一步，因?yàn)長(zhǎng)DPC校驗(yàn)矩陣的設(shè)計(jì)構(gòu)造往往決定了LDPC糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)性能和編解碼算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，如果校驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)考慮不周到或設(shè)計(jì)不好，僅僅靠解碼算法很難將錯(cuò)誤平層（Error Floor）降低到不影響系統(tǒng)性能的水平，而且會(huì)增加LDPC編解碼算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，帶來(lái)芯片功耗的增加和成本的上升以及系統(tǒng)性能的下降。

另一方面是解碼算法，隨著讀寫(xiě)次數(shù)增加，閃存顆粒錯(cuò)誤率會(huì)逐漸上升。英韌科技的解碼算法可以自適應(yīng)調(diào)整解碼算法的流程，在最低功耗、最低延時(shí)的情況下做到解碼成功。

基于以上兩方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，英韌主控的糾錯(cuò)于設(shè)計(jì)之初就從底層原理出發(fā)，對(duì)矩陣構(gòu)造和編解碼算法都有許多精妙的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了很多突破。最終糾錯(cuò)能力極強(qiáng)，發(fā)生糾錯(cuò)失敗從而觸發(fā)重讀的概率很小，同時(shí)糾錯(cuò)算法消耗的數(shù)據(jù)讀取延遲短、功耗低。比如從主機(jī)發(fā)讀命令到讀取數(shù)據(jù)，主控的時(shí)延只需要10微秒！

目前市場(chǎng)上有多家閃存廠商，每家也有很多型號(hào)的閃存芯片，每年也推出最新的產(chǎn)品，這就對(duì)ECC糾錯(cuò)提出了一個(gè)更高難度的任務(wù)：能否支持各種各樣閃存芯片和未來(lái)可能出現(xiàn)的新閃存芯片？如果對(duì)閃存芯片支持不好，就將給客戶(hù)在選擇采購(gòu)閃存芯片時(shí)造成了很多限制。

英韌主控的ECC引擎做成了指令集的形式，可以通過(guò)軟件程序動(dòng)態(tài)配置，更通用化，能夠靈活適配各種閃存顆粒。同樣的NAND在不同生命周期的時(shí)候，還可以使用不同的LDPC糾錯(cuò)碼。比如可以根據(jù)壽命改變碼長(zhǎng)，早期放少一些，后期放多一些。這樣使得SSD系統(tǒng)在犧牲少許容量的情況下延長(zhǎng)使用壽命，為更高效使用SSD系統(tǒng)提供了一個(gè)可能，讓接近使用壽命的SSD系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)揮余熱，為使用SSD系統(tǒng)的客戶(hù)提供了一種新的降低成本避免資源浪費(fèi)的解決方案。

英韌科技持續(xù)不斷地對(duì)LDPC糾錯(cuò)碼進(jìn)行研究，對(duì)現(xiàn)有的SSD控制器中的LDPC編解碼模塊，設(shè)計(jì)了用于未來(lái)升級(jí)的接口協(xié)議。當(dāng)一個(gè)新的性能更好的LDPC碼產(chǎn)生出來(lái)，可以通過(guò)該升級(jí)接口協(xié)議對(duì)現(xiàn)有的SSD控制器的LDPC編解碼模塊進(jìn)行升級(jí)，使得用戶(hù)能夠及時(shí)享受到英韌的最新研究成果，延長(zhǎng)客戶(hù)產(chǎn)品的使用周期和壽命。

每一個(gè)ECC引擎都相當(dāng)于一個(gè)小CPU，幾個(gè)ECC引擎就相當(dāng)于多核并行處理器系統(tǒng)。ECC引擎的擴(kuò)展性非常重要，因?yàn)镾SD主控的性能不斷提升，要求每個(gè)ECC核心的性能很強(qiáng)，同時(shí)支持多核擴(kuò)展。英韌ECC單核糾錯(cuò)速度可以到32Gbps。即使是PCIe Gen 5的主控，也只需要增加ECC核心，而不用太大改動(dòng)，芯片研發(fā)速度因此可以大大加快。

然而，ECC引擎多了之后，功耗也會(huì)隨之升高。英韌科技PCIe Gen4主控Rainier主要通過(guò)以下幾種方式，實(shí)現(xiàn)了目前市場(chǎng)上PCIe主控芯片的最強(qiáng)性能和最低功耗：

1. 采用先進(jìn)的12nm工藝；相較于市場(chǎng)上采用28nm工藝的PCIe Gen4的SSD主控，這更能良好控制溫度，提高用戶(hù)體驗(yàn)；
2. 在不工作時(shí)降低或者關(guān)閉時(shí)鐘頻率；
3. LDPC會(huì)有大量片內(nèi)存儲(chǔ)器訪問(wèn)，導(dǎo)致功耗高；而英韌主控的內(nèi)部數(shù)據(jù)搬移非常少，大幅降低功耗；
4. LLR Table的選擇做了很多優(yōu)化，不刻意追求高精度。

閃存芯片未來(lái)將如何演進(jìn)？