隨著5G、大數(shù)據、云計算、物聯(lián)網乃至AI預訓練大模型等技術的不斷演進，數(shù)字化浪潮正在推動全人類社會朝向新的文明層次快速發(fā)展。數(shù)字化永遠無法回避的一個話題就是數(shù)據存儲。有意思的是，曾經不被看好的QLC產品，竟在云計算和數(shù)據中心市場，迸發(fā)出新的活力，有望逐步成為企業(yè)級存儲主力之選……

圓周率計算迎來新的世界紀錄

前不久，StorageReview團隊在位于美國辛辛那提的實驗室中使用第四代AMD EPYC CPU和Solidigm D5-P5316 QLC SSD，進行圓周率（π）小數(shù)點后100萬億位數(shù)的計算，最終的成績成功打破世界紀錄，其速度幾乎達到此前的3倍（原紀錄由Google于去年6月創(chuàng)造，共運行近158 天），總運行時間縮短至59天10小時46分49.55秒。其中，基于4bit單元QLC閃存的Solidigm D5-P5316可用容量為530.1TB，測試中使用峰值為514.5TB，總讀取量為40.2 PB，寫入35.4 PB，總計數(shù)據吞吐量高達75.6 PB。該團隊負責人Beeler表示：“QLC非常適合這類工作負載。它支持突發(fā)寫入和頻繁寫入，如果我們保持每天向每個驅動器發(fā)送接近30TB的數(shù)據寫入的節(jié)奏，每年的數(shù)據寫入將超過10PBW。事實證明，QLC SSD完全可以跟上計算速度，并在單個服務器中提供巨大的存儲密度。此外，在近60天的測試中，我們發(fā)現(xiàn)SSD耐用性的消耗幾乎可以忽略不計?！边@次的測試幾乎顛覆了絕大多數(shù)人對于QLC SSD的固有印象。

▲第四代QLC SSD在存儲密度提升的同時，還帶來了滿足散熱、邊緣化、非結構化和云端化需求等多方面的優(yōu)勢和便利。

作為SSD的核心組件，NAND閃存經歷了SLC、MLC、TLC、QLC四代演進，每單元存儲數(shù)據從1bit發(fā)展到2bit、3bit、4bit。不過伴隨著每單元存儲位數(shù)增加，電壓變化也逐級遞增，而電壓頻繁切換會導致更多的錯誤和更長的擦除時間，表現(xiàn)出來就是寫入速度更低、壽命更短、可靠性更差。尤其是在消費級市場，多數(shù)消費者對于SSD的選擇更傾向于TLC，而非QLC。所以此次新的圓周率計算世界紀錄誕生時，Solidigm D5-P5316作為一款QLC產品的表現(xiàn)，尤其是對于容量、成本、性能和耐用性的兼顧，著實令人感到意外。

QLC SSD整體性能大翻身？

無獨有偶，SK海力士收購Intel NAND閃存業(yè)務重組而來的Solidigm，很快又發(fā)布了同樣基于QLC閃存的全新企業(yè)級產品P5-D5430，再次引發(fā)了“QLC取代TLC”的話題討論。據悉，P5-D5430采用大連Fab 68工廠出品的192層堆疊3D QLC閃存芯片（該廠的QLC產品占40%以上），容量從3.84TB到30.72TB不等（E1.S款最大容量為15.36TB），128K順序讀寫速度最高為7GB/s和3GB/s，4K隨機讀寫速度最高達971K IOPS和120K IOPS。而且它還具備高達90％ IOPS一致性，以及大約6％的硬盤壽命可變性。簡單說就是整體的可靠性更趨于一致，讀寫表現(xiàn)也非常平穩(wěn)。

▲D5-P5430 30.72TB容量的產品預計今年下半年量產

從Solidigm的官方數(shù)據來看，相對其舉例的企業(yè)級TLC產品，P5-D5430在順序/隨機讀取性能上已經趕超了前者，但它卻可以輕松實現(xiàn)更大的容量，以及最多14%的寫入壽命提升（相對固定的寫入負載下，對閃存擦寫壽命的消耗速度會隨容量上升而放緩）。也就是說，目前QLC產品唯一的弱勢之處，只剩寫入性能。而可能很多人想不到的是，QLC在企業(yè)和數(shù)據中心市場，寫入性能這一指標在存儲設備采購考量中的優(yōu)先級，并沒有那么靠前。

▲QLC和TLC SSD各項性能的實例對比

Solidigm亞太區(qū)應用工程部總監(jiān)翁昀表示，對于存儲設備，“除了關注性能參數(shù)，還要看一下實際的工作負載是什么樣的……一些AI模型在3年內增長了1萬倍以上，高清電影的數(shù)據量比幾年前大9倍……數(shù)據讀寫方式在更多的使用場景里還是以讀為主。幾年前我和一家互聯(lián)網公司交流過，他們主流的內容分發(fā)網絡里，讀7天，然后花一個晚上去做一些寫入，然后再讀7天，再花一個晚上寫入。在94%的企業(yè)級工作負載當中，80%是讀，20%是寫。所以TLC SSD其實對于有些工作負載而言，并非最佳選擇。”

AI時代對存儲的需求到底是什么？

事實的確如此，甚至在AI時代“讀多寫少”會表現(xiàn)得更加明顯。我們知道，AI業(yè)務中除了個別業(yè)務場景主要針對結構化數(shù)據進行分析外（例如消費記錄、交易記錄等風險控制、趨勢預測場景），大多數(shù)場景需要處理的是非結構化數(shù)據，例如圖像識別、語音識別、自動駕駛等，這些場景通常使用的是深度學習算法。

這也就意味著AI時代，存儲領域面臨四大挑戰(zhàn)。

一是容量需求。人類社會產生的數(shù)據量正在以驚人的速度增長，預計到2025年全球每天將創(chuàng)建約463EB數(shù)據。5G、AI、物聯(lián)網等應用源源不斷地催生了大量數(shù)據流，它們各自提出了深度數(shù)據存儲和隨機速度的要求。

二是海量小文件。由于訓練任務需要的文件數(shù)量都在幾億到十幾億的量級，所以存儲需要能承載幾十億甚至上百億的文件數(shù)量。同時，由于很多訓練模型都是依賴于圖片、音頻片段、視頻片段文件，而這些文件的大小大部分都是在幾KB到幾MB之間。

三是讀多寫少。AI環(huán)境的數(shù)據特點是讀多寫少，以視覺識別為例，它需要加載數(shù)千萬甚至上億張圖片，針對圖片使用卷積神經網絡、ResNet等算法，生成識別模型。完成一輪訓練后，為了減少圖片輸入順序的相關性對訓練結果帶來的影響，會將文件次序打亂之后，重新加載，訓練多個輪次。這就意味著每個輪次都需要根據新的順序加載數(shù)千萬乃至上億張圖片，因此對于存儲的高吞吐、低延時提出了更高的要求。

四是可靠性。比如AI業(yè)務不同環(huán)境的數(shù)據組織方式不可控，很有可能用戶會將大量文件存放在同一個目錄，容易導致多個計算節(jié)點在訓練過程中同時讀取這一批數(shù)據，這個目錄所在的元數(shù)據節(jié)點就會成為熱點。那么目錄熱點讀取的可靠性，存儲介質在讀取狀態(tài)下的均衡性和平穩(wěn)性就需要有所保障。

QLC產品總體擁有成本的巨大優(yōu)勢

其實一言以蔽之，大數(shù)據時代，或者說企業(yè)的數(shù)字化轉型或是AI業(yè)務發(fā)展等多種需求下，多數(shù)場景存儲的工作負載都處于“讀多寫少”的狀態(tài)。在大部分場景中，如預訓練任務只讀取文件，中間很少產生中間數(shù)據，即使產生了少量的中間數(shù)據，也是會選擇寫在本地，很少選擇寫回存儲集群。Solidigm援引相關數(shù)據指出，2020~2023年全球范圍出貨的數(shù)據中心級SSD，大約85％的每日全盤寫入次數(shù)（DWPD）還不到1，甚至大多數(shù)SSD都不會有DWPD的評級。

▲對比全TLC陣列，以D5-P5430組成的7PB存儲方案總體擁有成本更低。

此外，Solidigm D5-P5430產品具備U.2 15mm、E1.S 9.5mm和E3.S 7.5 mm等多種接口規(guī)格，最大容量達到30.72TB（將于年末推出），可以憑借大容量低成本的優(yōu)勢，更好地滿足非結構化數(shù)據存儲的需求。對比7PB全TLC陣列對象存儲解決方案，它可以直接縮減一半的固態(tài)硬盤和服務器需求，降低18%的電力成本和33.3%的機架占地面積，功率密度提升26%，企業(yè)總體擁有成本降低27%。至于混合陣列方案，D5-P5430相對應的優(yōu)勢則更加顯著，總體擁有成本降低多達39%。Solidigm亞太區(qū)銷售總監(jiān)倪錦峰還透露，“可持續(xù)性方面，HDD的年失效率現(xiàn)在是很高的，差不多在3%左右，這會導致后續(xù)廢物處理的很多挑戰(zhàn)，但是我們的SSD承諾的年失效率是0.44%，實際使用要比這個值低很多。也就是說（使用我們的QLC SSD）除了能減輕運維壓力，后續(xù)廢棄物處理的麻煩也會少很多?！?/p>

▲對比HDD+TLC SSD陣列的話，QLC整體成本優(yōu)勢更加突出。

寫在最后

隨著5G、大數(shù)據、云計算、物聯(lián)網和AI技術的快速發(fā)展，數(shù)字化變革浪潮已是席卷各行各業(yè)，數(shù)據生成和存儲需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長態(tài)勢，這也使得存儲技術必須不斷發(fā)展才能跟上新的工作負載和需求轉變。在QLC SSD剛推出的時候，許多存儲廠商都將首發(fā)目標對準了企業(yè)級市場，而不是消費級，原因就在于3D NAND技術通過堆棧更高的層數(shù)，可以輕松實現(xiàn)更大的存儲密度，因此QLC顆粒的優(yōu)勢更適合大容量數(shù)據盤。

而如今通過最新的QLC產品，我們看到除了在帶寬、讀取性能、整體可靠性和耐用性等核心性能方面，QLC SSD在部分表現(xiàn)上已經追上TLC產品，還憑借著更高的存儲密度，可以輕松實現(xiàn)容量和成本上的優(yōu)勢。對于需要平衡性一切因素和性價比的企業(yè)級市場來說，QLC產品無疑是更好的選擇。因此，我們也看到包括京東、阿里、聯(lián)想、戴爾在內的一眾科技巨頭，都已經開始成規(guī)模地選用QLC產品。而隨著SSD糾錯技術的不斷迭代，QLC的可靠性也會越來越高，甚至我們可以期待，如果未來QLC產品在價格上與TLC拉開足夠的差距之后，QLC會真正迎來逆天改命的新局面，在消費市場也唱響屬于它的主旋律。