近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大模型、IoT等技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用的規(guī)模也迅速增長，由此產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)存儲和處理需求。據(jù)估計【1】，2023年全世界產(chǎn)生了147 ZB數(shù)據(jù)，到2025年這個數(shù)字將變成181 ZB。不僅數(shù)據(jù)量快速增長，大模型、HPC等應(yīng)用對性能要求也很高，傳統(tǒng)大容量HDD無法滿足。在此背景下，2024年大容量QLC SSD的市場份額得到了快速增長。

本期開始我們將分為三期圍繞QLC SSD的優(yōu)缺點、應(yīng)用收益、設(shè)計難點，以及適用場景等方面展開討論。

QLC SSD與TLC SSD哪個更強

本文選取了兩個有代表性的QLC SSD和TLC SSD盤片進行對比【1,2】。

QLC SSD的單盤最大容量為61.44TB，而典型TLC SSD的最大容量為7.68TB。存儲相同數(shù)據(jù)量，QLC SSD占用更少的機架空間。在單盤故障的情況下，QLC SSD的影響范圍也更大。因此，QLC SSD更適合用在具有多盤之間數(shù)據(jù)冗余保護的系統(tǒng)中，如全閃陣列、全閃分布式存儲等。在這樣的系統(tǒng)中，單盤失效不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)斷供。

◎圖1：典型QLC SSD與TLC SSD對比

盡管QLC SSD的單盤功耗更大，但由于其單盤容量更大，因此QLC SSD每個TB的平均功耗更小。典型QLC SSD平均每TB功耗為0.2W，而TLC SSD平均每TB的功耗為1.1W。按照一臺服務(wù)器配置12片SSD、服務(wù)器（不含SSD）功耗500W計算，QLC SSD的整系統(tǒng)每TB功耗是0.9W，而TLC SSD為6.5W，兩者之間相差懸殊。

QLC在每個cell中存儲4 bits信息，相比TLC的信息存儲密度更高。但是QLC的擦寫次數(shù)相對TLC更少，這導(dǎo)致QLC SSD的耐久性比TLC SSD差一些。典型QLC SSD的DWPD值為0.58，而TLC SSD的DWPD為1，相差并不懸殊。

大尺寸順序讀寫請求的性能與小尺寸（4KB）隨機讀性能，QLC SSD與TLC SSD均基本持平。

4KB隨機寫性能，QLC SSD只有TLC SSD的五分之一左右。QLC SSD只有38K IOPS，而TLC SSD達到了200K IOPS。下一期將詳細解釋造成這種差異的原因。

從以上對比可以看出，大容量QLC SSD特別適合數(shù)據(jù)量大、存儲成本敏感、性能要求高、且讀多寫少的場景。

QLC SSD與HDD的主要差異

◎圖2：典型QLC SSD與HDD對比

如圖2所示，與QLC SSD相比，HDD的最大容量小很多。HDD的順序讀寫和隨機讀寫性能與QLC SDD相比都差很多。HDD的單盤功耗小一些，但是每TB平均功耗比QLC SSD差很多。

雖然HDD沒有每日寫入數(shù)據(jù)量（DWPD）這個指標，但是HDD有一個workloads rate指標，例如Ultrastar?DC HC560的workloads指標是每年最多550TB。如果讀出和寫入的數(shù)據(jù)量超出workloads值，那么HDD的性能會降低，并且可靠性指標年故障率（AFR）也會上升。如果把workloads視為DWPD，那么這款HDD的DWPD只有0.075，這與QLC SSD的0.58相差很大。

與HDD相比，QLC SSD每TB價格高，QLC SSD另外一個短板是數(shù)據(jù)保持時間短一些，斷電之后QLC SSD的數(shù)據(jù)可靠保持三個月左右，超過三個月就有數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險。如果不斷電，而是讓QLC SSD一直處于帶電空閑狀態(tài)，則沒有數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險。

QLC SSD的TCO更低

未來在很長一段時間內(nèi)，HDD在每TB采購價格上仍然顯著優(yōu)于QLC SSD。但是，QLC SSD的每TB功耗更低，在很多應(yīng)用場景中，QLC SSD的總體擁有成本比HDD更低，下面以一個100PB對象存儲系統(tǒng)為例來說明。

對象存儲用來保存圖片、視頻等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量特別大，對性能要求不高，對存儲成本要求比較苛刻。因此，現(xiàn)在大多數(shù)對象存儲是基于HDD的，或者用少量SSD做緩存，完整數(shù)據(jù)存儲在HDD上。

由于對象存儲的易用性和可擴展性很好，公有云上對象存儲價格比塊存儲便宜很多，越來越多上層應(yīng)用把數(shù)據(jù)保存在對象存儲中。例如，很多公有云上的在線分析型（OLAP）數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)就保存在對象存儲中。因此，未來勢必會對對象存儲提出更高的性能要求，除了順序訪問的吞吐量要求之外，還會提出更高的IOPS要求。

下圖是一個100PB的對象存儲系統(tǒng)，使用不同硬盤來構(gòu)建，其結(jié)果差異很大。其中三種硬盤分別是3.5寸20TB HDD、61.44TB QLC SSD、7.68TB的TLC SSD。可見使用QLC SSD的對象存儲系統(tǒng)所需的服務(wù)器數(shù)量、機架數(shù)量都更少，能耗也更低，性能卻高很多。隨著價格逐漸降低，高密度QLC SSD將會逐漸進入對象存儲系統(tǒng)，逐步替代HDD。

◎圖3：100PB對象存儲系統(tǒng)使用不同盤的情況對比

利用硬盤模擬磁帶機的在線備份系統(tǒng)，寫入數(shù)據(jù)量大，對存儲空間成本要求苛刻。傳統(tǒng)觀念認為，在線備份只能使用HDD，SSD無法滿足成本要求。但是，大容量QLC SSD成本下降到一定程度時，會在大部分在線備份系統(tǒng)中替代HDD。

◎圖4：100PB對象存儲系統(tǒng)用不同盤的機架數(shù)量對比

研究表明【4】，在一個10PB存儲容量的大模型應(yīng)用環(huán)境中，相較于 HDD 和 TLC SSD 混合系統(tǒng)，完全采用 QLC SSD 的系統(tǒng)在能耗效率方面優(yōu)勢顯著，足足高出 79.5%。

綜上對比，QLC SSD、TLC SSD以及HDD三種盤型中，QLC SSD在單TB上的平均功耗更小、存儲密度更高，在對象存儲等系統(tǒng)中總TCO更低，這些都將推動存儲的更新?lián)Q代。

參考鏈接：

1.https://explodingtopics.com/blog/data-generated-per-day

2.https://www.solidigmtech.com.cn/products/technology/d5-p5336-product-brief.html

3.https://download.semiconductor.samsung.com/resources/data-sheet/Samsung_SSD_PM9A3_Data_Sheet_Rev1.0.pdf

4.https://signal65.com/wp-content/uploads/2024/12/Solidigm-100MW_Signal65-Insights.pdf

審核編輯 黃宇