大容量与高性能SSD硬盘的比较

与机械硬盘(HDD)相比，固态硬盘(SSD)在吞吐量和延迟方面具有巨大优势。但是，只要它们与机械硬盘(HDD)尺寸和接口保持兼容，尤其是2.5英寸小型(SFF)驱动器机箱和SATA I/O格式，它们就无法充分发挥其NAND闪存内部组件的潜力。但是，这种情况正在发生变化，因为直接连接到PCI系统总线的基于NVMe的高性能SSD硬盘在企业中变得越来越普遍。

而人们需要了解有关企业驱动器的趋势、NVMe设备崛起的原因、底层NAND闪存技术的进步，以及一些用例的信息。

SATA输出，NVMe输入

Statista公司估计，2021年固态硬盘(SSD)的出货量将首次超过机械硬盘(HDD)。根据Research and Markets公司的调查，到2024年，企业闪存市场将以每年17%的速度增长，年收入约为250亿美元。而AWS、谷歌、微软、阿里巴巴等超大规模云计算提供商运行和托管的云计算设施将取代许多企业数据中心。

在以往，闪存与企业市场采用的硬盘竞争的最简单方法是采用现有的机械硬盘(HDD)物理接口标准。直到几年前，使用SAS和SATA接口的固态硬盘(SSD)在市场上仍占主导地位。然而，在2017年底，NVMe高性能固态硬盘(SSD)的使用量激增，超过了2018年年中SATA企业级机械硬盘(HDD)的总容量。

与SATA硬盘相比，用户更喜欢NVMe高性能固态硬盘(SSD)有几个原因。其中包括：

•NVMe协议设计用于NAND闪存等非易失性半导体存储器和Intel Optane等3D XPoint等下一代非易失性技术，以及Everspin和Avalanche Technology公司提供的电阻和磁阻存储器。它显著地简化了I/O协议，并消除了HDD硬盘协议的其他限制。

•NVMe支持多达64K个队列，最多64K个条目，而SAS支持254个条目，SATA支持32个条目。NVMe还针对多个核心处理器非统一内存访问处理器进行了优化，以允许多个核心处理器共享队列的所有权。该协议不需要I/O锁定，并具有其他功能，允许其性能随系统中可用的核心处理器数量的变化而变化。

多个核心处理器非统一内存访问处理器进行了优化，以允许多个核共享队列所有权。该协议也不需要I/O锁定，并具有其他功能，可以根据系统中可用内核的数量来扩展性能。

•NVMe命令集比SAS或SATA更简单、更精简，开销更小，作为机械硬盘(HDD)协议，每个I/O请求需要一半或更少的处理器指令。这种效率意味着更高的IOPS吞吐量和更低的延迟。其指令集还包括一些高级功能，如保留和电源管理，这些功能可以进一步提高系统效率。

•NVMe有效支持I/O虚拟化技术，如单根I/O虚拟化，并提供广泛的错误报告和管理功能。

IDC公司研究副总裁Eric Burgener表示，到2020年，NVMe将成为企业存储的基础，越来越多的工作负载将需要NVMe来实现低延迟、高吞吐量、存储密度和快速存储阵列重建时间。

更密集、更快的闪存

像内存(DRAM)一样，闪存通过检测存储单元中是否存在电荷来工作。闪存使用的存储结构与内存不同，一旦存储芯片断电，该结构并不会丢失电荷。

早期的闪存设计使用了由绝缘二氧化硅包围的导电多晶硅浮栅，从而在通过名为Fowler-Nordheim隧道的数据写入过程中捕获电子。这些平面结构多年来一直为各行业服务，但是它们的二维结构限制了存储单元阵列的密度。

构建更高容量的闪存设备的解决方案需要进入硅基板以蚀刻3D结构，该结构可以分层以在每个支柱上创建多个存储单元。这些设计与电荷存储和绝缘材料的变化相结合，从而可以使用电荷陷阱非易失性存储机制。

除了在3D堆栈中将存储单元进行分层之外，现在的设备还可以读取每个存储单元多个电压荷电平，从而使它们可以存储多个位并增加容量。在单层单元(SLC)NAND设备中，多晶硅浮栅充电的单元代表0，没有电荷的单元代表1。

相比之下，多层单元(MLC)器件可以向存储门施加三种不同的电荷水平，以表示四种状态或两个位。随着时间的推移，制程容差和写入电路已变得足够较精确，可以代表七个或更多状态，并启用了三层单元(TLC)和四层单元(QLC)器件，每个器件可存储16个电压电平。

增加每个单元的位密度的缺点是速度和耐力。由于编程周期需要多个步骤，因此编程和读取多层单元(MLC)、三层单元(TLC)和四层单元(QLC)设备所花费的时间会越来越长。而位状态之间较小的电压公差意味着，在存储单元无法区分位电平之前，所需的电荷泄漏较少，因此不可用。例如，大多数单层单元(SLC)设备的寿命大约为100,000个编程/擦除周期，而四层单元(QLC)设备可能只允许100个。

使用场景

位密度与性能和持久性之间的权衡意味着单层单元(SLC)设备是写密集型数据库应用程序、数据分析、模型培训或系统引导驱动器的推荐或直接需求。相反，三层单元(TLC)或四层单元(QLC)设备可用于以读为主的应用程序，如文件共享和存档。SSD硬盘耐久性通常在每天的写入填充中指定，以表明在其使用寿命内每天可以写入设备上每个单元多少次。

NVMe的崛起意味着企业高性能SSD硬盘现在能够以多种形式使用。使用U.2和U.3标准的NVMe设备具有与传统HDD硬盘相同的2.5英寸规格，但使用支持PCIe接口的备用引脚输出。诸如M.2、PCIe卡和英特尔的EDSFF硬盘的替代产品也采用与闪存一样的尺寸，可以在紧凑的封装中提供更高容量。

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