快閃記憶體市場真的觸底了嗎?——在記憶體價格經歷了近一年的下滑後,每個人都想問這個問題。

在過去1年中,幾大快閃記憶體供應商都在採取手段阻止價格下滑,包括削減投資、減少產能、延遲新工廠投產等,雖然效果不是立竿見影,但預計到2020年隨著5G智慧型手機、企業、機器生成的資料推動著資料中心的儲存容量快速地從PB級擴展到EB級,需求的持續提升會令儲存市場逐漸回暖。

「為什麼我會這麼樂觀?因為整個2018年全球產生資料約32ZB,到2023年會有超過100ZB的資料產生,這會改變我們對整個儲存產業的看法和預期。」日前於深圳舉辦的快閃記憶體市場峰會(CFMS2019)上,威騰電子(Western Digital;WD)資深副總裁兼中國區總經理Steven Craig對快閃記憶體市場表達了樂觀的態度。

目前資料來源主要有三個,包括邊緣資料、末端資料,以及在雲端(核心端)將大資料轉換成經過處理的智慧資訊。據IDC報告指出,2018年全球產生的32ZB(Zettabyte,十兆億位元組 ,1ZB約等於1兆GB)資料中,只有5ZB被儲存了下來。

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到2023年,大於90%的資料將由機器生成,5G、人工智慧、機器學習,包括視訊監控,甚至4K、8K視訊的廣泛應用,都催生了海量資料產生。屆時儲存量將會上升到12ZB,但佔據產生資料量的比例卻由2018年的15%下降到10%左右。

Craig表示:「這就是我們面臨最核心的問題,資料產生後只有一小部分會儲存下來。儲存產業整個生態環境還沒有跟上新的趨勢,我們必須要轉變思維模式,為未來更大規模的資料儲存準備好相關的技術。」

應對資料爆炸 SSD成本吃不消

逐步增長SSD的用量是一個方法,NAND Flash層數的增長也可以進一步增加儲存密度。從2014年的24層,到2016年的到48層,2017年的64層,再到2018年的96層,以及明年的1XX層……NAND層數似乎也有了一個類似摩爾定律的更新反覆運算週期。

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單純增加層數的方法看起來最簡單,但實際上會增加更多的成本。層數增加,意味著要製造更多的晶圓,導致每平方公尺單位面積的儲存成本上升,如上圖所示3D NAND反覆運算的資本密度。需要多管齊下,首先需要不斷縮小快閃記憶體孔規格,讓儲存孔(MH)密度不斷提升;再來是升維擴展,也就是Z軸縱向發展提升層數,讓儲存單元(Cell)密度提高;最後提升TLC的位元密度。

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「下一代技術要求每個單元實現4位元資料儲存,這是非常艱巨的任務。」Craig說到,「但在這樣的情況下,我們才可以獲得技術發展的紅利。」預計不同層級的TLC將引領未來儲存的增速,應用在包括在企業級、客戶級還有行動端,行動端的需求尤其大。

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QLC高密度的4位元每單元是「一步到位」的解決方案,據預測到2025年3D-QLC會佔50%以上的總位元數出貨量。當然天下沒有免費的晚餐,我們必須去接受提升容量帶來的成本提升,這對企業來說會造成一定的困擾,有沒有兩全其美的辦法?

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混合HDD和SSD做分區儲存

「對於WD來說,在資料儲存邁入ZB時代也遇到了關鍵挑戰。QLC雖然在可擴展性、成本/TCO效益和訪問/讀取性能上都很優異,但是寫入壽命的限制卻讓人頭疼。磁片儲存也是如此,我們將傳統的傳統磁記錄(Conventional Magnetic Recording;CMR)技術,轉為疊瓦式磁紀錄(shingled magnetic recording;SMR)技術。」Craig表示,「但還是有寫入限制。」

什麼是SMR?SMR可以為HDD帶來物理和邏輯上的擴展。物理上,增加磁碟數量、擴大磁碟尺寸和窄化軌道實現;邏輯上則能為每隔區域疊加更多軌道進行。不過SMR在隨機寫操作時,需要先將疊瓦佈局中重疊磁軌部門的資料移轉走,這需要作業系統,以及應用程式等的支援,對於客戶實際部署要求較高。也是因為這個原因,SMR磁片很難與CMR無縫銜接,但SMR在單盤儲存容量方面的潛力,對於爆炸式資料增長帶來的儲存需求,還是極具誘惑力。

如何發揮SMR在單盤儲存容量方面的優勢,同時掃除影響SMR使用的障礙?只有SMR-HDD和SSD同時存在,才能在不犧牲性能的情況下提高儲存容量,這也是WD分區儲存計畫誕生的背景。

分區命名空間(Zoned Namespaces;ZNS)包含SMR-HDD,以及ZNS-SSD的配套技術。其中SMR具有成熟的生態和廣泛的開源社區支援,能夠享用SMR技術帶來的硬碟儲存容量最大化紅利;融入ZNS標準的NVMe SSD則延續快閃記憶體擴展,擁有更好的耐久性、可預知的低延遲和服務品質(QoS)性能,實現QLC的規模部署。

Craig表示:「分區儲存是一項開放原始碼、基於標準的技術提案,使資料中心能夠經濟高效地對儲存介質進行選取和部署,有效地擴展到ZB時代。」

哪些市場HDD和SSD替換最激烈?

會後,WD產品市場部副總裁朱海翔先生,WD產品市場部總監張丹女士接受了《電子工程專輯》中國版採訪。

對於資料端到端的架構,朱海翔認為,資料主要由終端透過不同的應用產生,然後在邊緣運算或分散式資料中心進行初步整合和分析。最後,在雲端資料中心透過一些大資料技術分析,資料價值才會最終體現。「今天大多數的資料,還是人為方式產生的。比如說微信,在一些平台上分享文字、圖片、視訊,以及現在非常流行的短視訊抖音、快手等等,這些都是人產生的資料。但是隨著5G萬物互連的發展,可以預見,到2023年全球90%的資料都會由機器產生。而由機器產生的資料有獨有的特性,大多數都是順序型寫入的流媒體資料。」

針對機器產生的宏大海量資料類別和新特性,儲存產業怎麼把這個挑戰變成契機?增加儲存量無疑是最需要解決的問題。今年越來越多96層3D NAND被用在資料中心,各個廠商也在積極開發1XX層儲存密度的3D NAND,「但是這只局限於儲存介質的密度增加上,如果最終想要在資料中心使用最高密度QLC,而不是現在的TLC,需要解決QLC在資料中心中批量部署的最大難題——寫入壽命問題。」朱海翔表示,「要解決這個問題,不能停留在介質本身,要重新看整個資料的基礎架構。所以今年6月WD推出了分區儲存技術,我們相信這個技術可以從全新的角度幫助整個產業,尤其是在資料中心快速的部署最高儲存密度的QLC。」

其實在儲存介質的選擇上,WD是一家比較獨特的公司,他們在HDD產業有開發和製造的垂直整合能力,在SSD上也是一樣。所以在推薦客戶才用HDD還是SSD上,「WD並沒有偏好,比如一定要在市場上或是在客戶處主動去推其中某一個產品。但是我們看到,在不同的產業裡,對於HDD和SSD互相過渡的速度和範圍是不一樣的,其中三個產業是全球使用傳統機械硬碟最大的產業:資料中心、個人電腦,以及視訊監控產業。」

朱海翔介紹,「這三個產業情況不一樣。在資料中心產業,HDD每年的年負荷增長率可達34%,WD稱為企業級HDD。因為成本、性能整合的優勢,相比之下大多數的雲端廠商還是願意大量用HDD來儲存。SSD在雲端資料中心中增長速率比HDD快,每年增長率是44%,但它的起點相對較低。我們預測在大概4~5年之後,資料中心絕大多數的儲存媒介仍然是HDD,而不是SSD。」

個人電腦產業則完全不一樣。2018年個人電腦裡面的儲存介質已經有50%轉變為 SSD,今年可能已經達到60%,大概兩三年之後會達到80%以上。所有的個人電腦都傾向於使用SSD,而不是傳統的機械硬碟。

第三個視訊監控市場在中國尤其重要,而且中國有全球領先的安防廠家,近年來中國視訊監控儲存的需求量,在全球已經超過50%,但絕大多數的儲存需求還是HDD,而不是SSD。朱海翔表示:「因為wd和這些廠家都有緊密的合作,並沒有看到近期或可預見的將來會有大量SSD會替代HDD,這是我們看到的HDD和SSD互相轉變的三個主要重要市場。」

本文為EE Times China原創文章