【第二届中国行业互联网大会暨CIO班十一周年年会】吕鑫:3D NAND-闪存趋势与挑战

2016-08-30 15:54:49  来源:CIO时代网

摘要:宝存科技高级系统工程师吕鑫在分论坛活动上发表了题为《3D NAND-闪存趋势与挑战》的主题演讲。
关键词: 闪存 互联网
  2016年8月13日,由北大信息化与信息管理研究中心、中国新一代IT产业推进联盟主办,CIO时代网、阿拉善盟旅游局、阿拉善盟文旅投公司承办,北达软、网加时代网、转型家、《金融电子化》协办的“第二届中国行业互联网大会暨CIO班十一周年年会&首届阿拉善峰会”在苍天圣地阿拉善成功举办。与此同时,互联网+金融分论坛在阿拉善隆重举行。来自金融领域的专家、知名企业代表和CIO学员们参加了此次论坛,在新一代信息技术的冲击下,就金融行业的最新技术进展、转型方向等内容进行了深刻的探讨与交锋。
 
  宝存科技高级系统工程师吕鑫在分论坛活动上发表了题为《3D NAND-闪存趋势与挑战》的主题演讲。以下为演讲实录:
 
\
 
  相比大数据应用,我们是对商业银行底层数据做一个存储的支撑,我们是上海宝存信息科技有限公司,主要是做国产flash闪存盘的。我今天主要介绍的内容就是目前半导体行业的发展和闪存与存储厂商的发展和遇到的一些瓶颈,主要是包括二阶段flash的发展和它目前遇到的一些挑战,三阶段的flash他目前的发展现状和未来的发展趋势,简单的介绍一下软件定义的数据中心一些应用的使用情况,都是来基于三阶段的flash的固态硬盘趋势的预测。提到了flash的制作工艺,我们不得不提一下flash的制程。Flash的制程就是这段flash里面最小的两个功能单元的之间距离。从公司最早提出这个技术的时候,当时制程是130纳米,到了2005年的时候这个制程发展到了50纳米,到了去年的时候我们这个制程,东芝等其他的flash遇到的挑战已经可以把这个支撑缩小到15纳米,就是说驱动flash的制作工艺不断下降的动力就是成本。只有成本的不断下降,flash才能进入我们的应用当中,才能大规模的使用。
 
  这个是从1992年到2016年flash的累计成本的下降,我们可以看到他下降已经超过了5万倍,我们目前的flash已经和我们生活的息息相关了,我们在企业级的应用当中,包括我们的数据中心或者其他的普通的链路服务器当中我们都会有使用,根据接口的不同可以划分一下,比如SaaS接口的SOP,或者是结构SOP,我们现在最新的基与PCIE接口的flash闪存盘,PCIE接口出来的闪存盘和SaaS是不一样的,他们两个是插在服务器前面的,我们这个是插在服务器的PCIE的插槽里的,他是可以直接和CPU做交互的,不需要额外的卡或者是其他的一些转换,不需要额外的一些资源的消耗,他的性能是很高的,他的性能大概是固态硬盘的10倍以上。目前除了插在PCIE插槽里面的闪存以外,我们还有一个接口。它的使用方式是插在服务器前面的背板上的,可以方便我们做热插拔,使用上是更灵活的。
 
  目前的CPU的制造工艺,中间的黑色是内存的制造工艺,下面的黑色是net flash的。我们可以看到CPU的制造工艺,目前是接近30纳米左右,我们内存的制造工艺是接近20纳米左右,net flash的制造工艺,可以看到已经接近于10纳米左右了,虽然他的flash的商用时间并不长,但是他的发展是非常迅速的。
 
  相对于制造工艺来讲的话,我们从flash的制造工艺上做了一些提升的话,他的成本下降是很快的,我们可以看到一开始他是直线下降的,然后到了20纳米级别的时候,在行业里面是ES纳米级别的时候,它的下降会相对平缓一些,逐渐的它的下降区间也是会降低一些,因为net flash发展到了15纳米接近10纳米的时候,他会遇到了一些瓶颈,他会有一些极限,需要我们做进一步的突破。我们可以看到在20纳米以前,他的发展是可以按照摩尔定律去发展的。我们以前是为了让Net flash存储更多的数据,我们会把它分为SLC、MLC和TLC。SLC是每个sat里面只存储一个bata内容,然后它的优势是可靠性、性能是最好的,但是它的缺点是非常明显,价格太贵了,所以SLC这个产品是目前并没有大规模的普及的。目前在我们企业级的应用当中,大规模的普及是MLC是每个sell里面存储两个bata,他的容量是SLC的两倍,它的性价比是最高的,目前来说是大规模的普及。
 
  TLC产品里面,他的每个sell里面是存储三个bata内容,优点是比较便宜,但是它的缺点是很明显的,他的可靠性很低,所以TLC的产品,目前是主要用在我们的消费领域,比如我们手机里面的存储介质,我们的电脑,苹果电脑或者是联想电脑,如果它里面有固态硬盘的话,固态硬盘是用的TLC的一些东西,这是目前他们的发展情况。我们可以想象一下,把每个一般SELL看做了一个小房子,开始的时候在单平方米/单位平方毫米上建立的房子,net flash发展的初期的话,我们的这些小房子会建的很大,而且房子和房子之间的距离会很大,但是要求是它不断的去发展,在相同面积上建造更多的房子,去存纳更多的数据怎么办,我们只能把房子越建越小,但是房子越建越小会出现我刚才说的物理的极限,当到了10纳米左右的级别的时候,一个sell中电子的活动会对旁边的sell的数据或者是电子产生一定的影响,我们称之为干涉。
 
  我们对一个sell做一些比如说擦除或者是写入操作的时候一定会对旁边的sell的数据造成一定的影响,所以目前到了10纳米的阶段的时候,他是遇到了一些这样的问题。后续这些生产厂商他们会继续往下发展,但是会有一些瓶颈。出现了这些瓶颈以后,大家会想既然我们不可以在平面上发展,我们会在平面上往上盖,所以就会出现了3DNET Flash,它这个是叠层的,我们会有很多的层往上叠上去,3DNET出现了以后,我们是做叠层,相同面积里面,他的存储的密度是加大的,所以他的存储的可以存储更多的数,他存储的数据是更多的。
 
  目前3DNET的支持是40纳米左右,这个支持在我们2DNET之前10年多前很好的处理这个技术了,所以说3DNET的发展进程相对比较缓慢,但是有一点3DNET他的价格已经可以完全和2DNETFlash15纳米进行PK了,未来如果为了3DNET的层数更高的话,他的价值更低,所以优势更明显,而且3DNET发展的时候,他的一些寿命、性能和功耗都是比2DNET更有优势。
 
  我们可以看到在3DNET出现以前,他成本的下降比例已经平缓了,但是3DNET出现以后,他的成本又会出现了一个拐点,我们的容量是沿着2DNET继续发展。目前是2DNET和3DNET一个容量的对比图。目前2DNET最大的容量可以分到120TB了,然后3DNET已经可以做到250TB了,预计明年的时候3DNET会有512TB,甚至会是更高容量的flash产业,所以他的优势是非常明显的,相对于2DNET。
 
  3DNET理论成本的话,因为他是做叠层的,所以他的理论成本是叠层分析,假设我们的3DNETflash做的是10个叠层的,他的理论成本是1/10,所以说通过做叠层,不断的降低3DNETflash的成本,但是3DNETflash也会遇到2DNETflash一样的的一些瓶颈,所以说我们对于这个叠层是不可能一直做不下去的。目前三星3DNETflash的叠层是32层,东芝是48层,与这个出现的拐点大概是100层,预计到了100层的话,3DNET也会出现了一些瓶颈,但是我们还有很长的时间可以去发展,去突破一些瓶颈。
 
  这个是我们的Netflash生产厂商,他生产这个东西叫金元。我们所拿到的里面的一些小的块就是从这个里面剥下来的,这个金元会有很多的良品率和劣质的一些,坏的东西,良品率高的会拿给我们的企业级应用去做,做复查这块儿,做我们flash,然后良品率稍微低的话他会提供给消费级的,去做一些U盘或者其他的手机里面存储电池。如果其他的劣品他会扔掉或者是报销了。然后目前的话3DNET的容量密度一般是2DNET的两倍以上,每平方毫米的话,2DNET是1.28gb,3DNET是2.8gb,下面这个数据是东芝和三星进行挑战的数据,我们可以看到差不多他们的容量是两倍以上。为什么说3DNET比2DNET更可靠呢?因为3DNET的flash它的支持是降低了,现在是40纳米,40纳米的支持,我们刚才已经讲了,我们在10多年前可以很好的处理他的问题了,所以说3DNET他的sell之间的距离增大,所以他的可靠性是更高了。
 
  目前3DNET会使用其他的插入sell的机制,使用这个机制可以让3DNET的性能更好,他的可靠性能高,他的功耗更降低,相对2DNET来说他是有一些大的进步了。以前我们在使用2DNETflash的时候,我们可以把这个平面想成是2DNETflash,他的这个应用的方向是平面两个方向,长和宽两个方向,我们目前到了3DNETflash的时候是多了一个向上的,多了一个电子的泄露,3DNET对数据的可靠性是有一定的影响的,因此3DNET对flash控制器的要求非常高的,我们必须确保3DNET存储的数据可靠性是更高的,这点我们flash厂商也是想到了,我们现在也机制更强的一些办法,我们有更强的解码技术,因为我们的存储卡是在多个3DNET芯片之间会做一个保护机制,更可靠的保护机制可以确保我们数据的流失,既使丢失,我们卡内的某些部分的元器件失效,某些数据丢失也没有关系,我们有备份,可以把这些部分去恢复。
 
  另外在写入方式上,2DNET以前是两步写入,它是先会写一些低页,然后再去写高页,这是他的写入方式,我们目前在3DNETflash的时候会同时对两到三个页,同时进行编程操作,这样的话会提高它的写入速度。所以说这两个方面是flash控制器厂商对3DNET做的进一步的优化,确保他的可靠性和更高的性能。
 
  我们常见的数据中心的L模型,顺序的L和随机的L,顺序的L是L和L之间把问题分组建设的位置相连的,或者是相连的不远的,随机L是说他访问的位置是随机的,这个概念主要是针对于以前的机械硬盘来说的,我们以前的机械硬盘我们每访问一个数据的时候,都需要先转到那个位置,以前的话,我们用随机L的话是需要大量的旋转,耗时是相当高的,他的性能是非常低的,所以说是机械硬盘是没有办法很好的支持随机L这种业务模型的。目前我们数据中心用的最多的两种业务对L要求比较高,随机L要求比较高的是数据库和虚拟化,数据库我们知道,他的是8K或者是16K的,所以说是典型的随机的发展LK的东西,虚拟化的话,我们在底层有一个虚拟化,上层有很多的虚机,然后每一个虚机发下来的L顺序到我们下面是达到的,这两个业务对随机L的要求是非常高的,然后我们的闪存最好的特性是因为他里面的器件是电子元器件,它是不分随机和顺序的,随机和顺序在它里面是相同的,研发模式是一样的,所以说闪存是可以更好的处理随机话的业务特性的,闪存带我们在PCIEflash的闪存可以提高到40到50万的IOPS,闪存是更适合随机的业务模型。
 
  我们以前做服务器和应用的系统性提升的时候,我们主要想到的并行优化,我们可以看到这个S是系统性的提升的一个值,P是一个百分比,S是可优化的。我们看到最低下的这个是我们把优化的百分比提高到了50%的时候,整个系统性能可以提高差不多2倍,我们把系统性能,把拼接部分的百分比提高到了95%的时候,系统的性能可以扩大到20倍,然后我们可以到了20倍的时候差不多接近于瓶颈,目前延迟在B级优化出现了瓶颈的时候,延迟是一个很好的优化的方向,我们现在的数据库应用的话,虽然对IOPS比较堪忧以外,他的黏性也是非常堪忧的,我们对数据实施或者是快速的响应的这些数据。
 
  目前看一下3DNETflash是达到了48层,他的价格相对于2DNETflash是很有竞争的,未来的话,3DNETflash达到了一定量上,然后他的成熟度做到了一定的可靠性更高的时候,会推出一些3DNET的TLC,在2DNET的时候,tlc是主要是用在消费级,3DNET的时候我们tlc会用到企业级的一些应用,是一样的,会供企业级的使用。
 
  我们今年已经拿到公司的一些3DNETflash的样品,已经在做试配预计今年Q3或者是Q4的时候,我们会推出3DNETflash的产品。然后2017年的时候,我们预计基于3DNETflash的固态硬盘或者是PIE出来会大规模的进入到我们的企业级应用当中。未来基于3DNETflash的mlc和tlc会成为主打型号,我们会推出TLC,半导体行业会推出TLC的产品,就是每个SELL里面会存储四个备份,可以创造容量更大的一些消费级的应用。就是二变量的TLC会成为消费级主要的产品的使用情况。
 
  我们宝存科技是做企业级的固态硬盘的,我们目前的旗舰的产品是PIC接口的flash,我们单卡的容量可以做到6.4TB,预计今年第三季度,我们会基于3DNETMLC推出容量高达12.8TPICE出来的产品。预计明年的时候,我们会推出单卡,我们会插入pice的卡,容量可以做到25TB以上。我们现在比它更好,维护起来更方便,我们会有相关的一些监控软件,可以监控卡的温度、功耗、寿命和他使用的一些出现的情况。这个是对于客户来说更可以实时的查看这些信息,不像以前是一些黑盒子似的。另外我们基于oem协议,也会在今年第三季度的时候推出容量是2.8TB的一些产品。我们还有另外一款产品线率接口的flash产品,我们目前Sus接口是480G和960GB的产品,主要是用于服务器的一些启动盘之类的业务,我们未来会提出大容量的,2TB的一些产品,去满足客户的要求。
 
  再来回顾一下,目前主流的NETflash闪存的一些解决方案是基于2DNET的,他的制造工艺,是接近于10纳米了,出现了物理极限。所以说我们现在很多的半导体厂商已经开始向3DNET去过渡了,但是2DNET他们也会继续发展,但他们会有更多的经验放在3DNET上。未来的话,因为3DNET的优势非常明显,价格会超过2DNETflash的,所以基于3DNETflash我们会推出容量和密度更高的一些产品,而且他的性能是更高的,可靠性也会有所保证。
 
  未来数据库的业务和虚拟化的业务,因为它会不断的增长,我们现在都讲大数据,数据会越来越的多的,所以未来在数据中心当中解决IO问题的主要的方式是使用闪存。3DNETflash的话今年第三和第四季度,我们各个厂家会提出一些产品,供一些企业级客户使用,毕竟2017年的时候它会成为我们企业级应用的一些主要的手段,因为我们3DNETflash可以提高更大容量和更高的性能,而且延迟更低的同时,为企业级的一系列内件采购可以降低客户的采购成本。我们一张卡他的成本是没有多高的,我们如果像以前的话采用的是存储热链的话,他的价格、功耗、占用服务器、机房的面积,等等算下来,我们可以降低客户更多的成本,我们的优势是非常明显的。
 
  目前我们的flash产品,在互联网公司使用是最多的。比如中国航信,航天信息有限公司,我们在小的银行里面也在做一些客户的使用,比如山东的小银行,恒丰银行,他们是相对于我们这些小的,他们已经在Hadoop集群上使用。未来我们也会会积极的配合咱们金融行业的客户去做一些解决方案,来供大家去使用,毕竟闪存是一个未来的趋势。
 
  我的演讲大概是这些,谢谢大家!

第三十届CIO班招生
法国布雷斯特商学院硕士班招生
北达软EXIN网络空间与IT安全基础认证培训
北达软EXIN DevOps Professional认证培训
责编:pingxiaoli