近年來,隨著NAND接口速率越來越高,如何保證信號高速傳輸下的完整性和傳輸速率成為NAND廠商要面對的首要問題。浪潮信息企業級SSD通過對端接和電路的技術創新,全面提升NAND信號質量。此外,憑借主要部件的創新設計,支持加密算法和標準日志接口,降低客戶TCO的同時提供高運維效率等優勢,助力企業加速數字化轉型。
PCIe接口與NAND閃存盤
外圍組件快速互聯(peripheral component interconnect express,簡稱PCIe或PCI-Express),是一種高速串行計算機擴展總線標準,使用PCIe接口與計算機連接的固態硬盤、顯卡、網卡等外設因其數據傳輸速度高、帶寬大的特點,從而具有更高的數據傳輸效率。
通俗來講,就是在“主機”和“SSD盤”兩座城市間建立一條名為“PCIe”的高速公路,相比于普通公路,運輸數據的車輛不僅可以跑得更快,能使用的車道也更多,自然每時每刻有更多的數據來往于兩座城市之間。近年來,PCIe技術已經成熟,較之傳統硬盤的性能迎來新的飛躍,但同時也為攜帶數據“車輛”的可靠程度——NAND信號的傳輸質量帶來更嚴峻的考驗。
目前市場上主流SSD均采用四通道PCIe4.0傳輸,根據PCI標準組織——PCI特別興趣小組(PCI-Special Interest Group,簡稱PCI-SIG)給出的定義, PCIe4.0標準的單通道傳輸速度為每秒二十億字節(2GB/s),相當于1秒鐘完成一部高清電影下載,即理論上四通道最高能夠實現每秒八十億字節(8GB/S)的傳輸速度。
如今,SSD盤的容量已經突破32TB(1TB=1000GB),更大容量的SSD盤將使用更多的NAND,這就意味著“PCIe高速路”上來自不同“NAND城市”的車輛越來越多,攜帶不同“牌號”的車輛越來越多地匯入同一條高速路。隨著傳輸數據的信號種類和頻率增加,如果不采取必要處理手段,信號質量在多種高頻信號相互反射的影響下就會越差,進而降低數據傳輸速率,最終導致SSD盤無法完全發揮PCIe技術的速度優勢。
那么“質量好”的車應具備哪些硬件和軟件方面的特點?
其一,車身堅固——即高信號強度,在各種路況(電壓)、天氣(溫度)下正常行駛,支持高速度(頻率)行駛,在發生事故(信號反射)時仍能保證將乘客(數據)安全送達;
其二,速控靈敏——即信號波形穩定無擾動,能夠在高速車道(高頻)和低速車道(低頻)靈活切換,同時在同一車道上車距(相位)保持有序,連續的信號波形無抖動和串擾。
如何提高NAND信號質量?
由于NAND閃存顆粒(NAND Flash)接口速率越來越高,由每秒百萬比特發展到每秒十億比特,NAND廠商想出了各種辦法來解決高速信號帶來的信號完整性問題。例如改變NAND驅動與端接方式,以及在初始化時通過硬件手段對NAND某些電路引腳進行特殊處理,即進行ZQ校準(ZQ Calibration)、DQ讀寫訓練(Read DQ Training、Write DQ Training)和使能信號占空比訓練(DCC Training)等。在SSD固件開發中,可以基于不同的需求充分利用這些特性,通過增加相應功能來提高NAND信號質量。
第一,改變NAND端接方式。
端接,即一種消除信號反射的方式。片內端接(On Die Termination,簡稱ODT) 就是將端接電阻移植到了NAND內部而非PCB。
目前常用的端接主要有Target ODT、Non Target ODT等方式,以下為不同拓撲方式對比:
不同端接拓撲方式對比
簡單來說,端接處就像“PCIe”高速路的收費站,Target ODT模式表示這唯一一條高速路通向多少個“NAND”城市,終點就有多少個收費站。要實現這一點,就需要在終點建設對應數量的匝道,每條匝道延伸到不同收費站“target”。但隨著SSD盤容量的升級,終點處的城市數越來越多,如果還是按照Target ODT模式,終點處的匝道數也隨著“NAND”城市數增加。如果下高速前要從十幾個匝道中選擇一個正確的匝道駛離,對于司機來說即使是有導航也是一件困難的事,勢必會導致車輛下高速過程中發生混亂(信號擾動)。Non Target ODT模式是保持原有匝道數不變,規定一定數量的“NAND”城市為一組,共用一個匝道,即一個匝道的出口是兩個以上的“NAND”城市,通過投入一定預算(功耗),安排一批交警(命令)保證從同一匝道下高速的車輛正確前往對應的“NAND”,來維持原有的匝道數,使行程終點的交通不至于因為“NAND”增加而混亂,既保證了高速信號在到達接收處降速時的信號質量,也最大可能的維持了傳輸信號的高速率。
各種端接方式優缺點:
Target ODT簡單易行,是最常用的方式,無額外性能損耗,適用于IO接口速率不是很高的情況,比如800MT/s;
Non Target ODT對信號反射的處理更好,使得Target Die上的信號質量進一步提升,IO可以跑到更高的速率,比如1.2GT/s,由于使用時需要額外的命令設置,對總線效率有一定影響,并且功耗會有所增加;
另外為了應對更高的NAND IO接口頻率,比如2.4GT/s,或者更高,近年來增加IO Buffer Chip的方式也成為發展的一個趨勢,但此設計增加了SSD電路及Firmware設計的復雜性,NAND成本和功耗也進一步增加,添加Buffer有在外部總線添加和NAND內置兩種:
第二,ZQ校準(ZQ Calibration)。
為了在提高信號完整性的同時增強輸出信號的強度,NAND中引入了終端電阻和輸出驅動器,想要在溫度和電壓發生變化的場景下仍然能夠保持良好的信號質量,就需要借助ZQ Calibration對這些終端電阻和輸出驅動器進行校準。通過一系列精密的電路設計,在SSD盤初始上電過程中調整終端電阻阻值到設計的精確值,以保證信號輸出所需的電壓、電流達到理想值,信號在生成之初就可具有較高質量和抗干擾性。
ZQ Calibration在低速時是可選的,但當NAND傳輸速度超過533MT/s時則必須開啟該功能(以某一款NAND舉例)。
第三,增加Training功能。
Training的過程,是為了找出在Controller和NAND間進行數據讀寫時的最優信號的位置,而進行的探索性調整相位的過程。一般NAND IO速率超過800MT/s就需要開啟該功能,通過NAND的Read、Write Training來優化信號Window,使數據讀寫的建立、保持時間裕量更大,達到提升信號質量的目的。
以浪潮信息企業級SSD在實際測試中通過改變NAND特性帶來的信號質量提升為例:
左圖是使用Target ODT及未加Training時的仿真波形,可以看出信號質量比較差,并且IO速率得到限制,只能跑到最佳性能所需速率值的三分之二(667MT/s),如果再提高頻率就會造成數據出錯;右圖是將端接改為Non Target ODT和增加Training后的波形,可以看出信號質量明顯改善,并且IO頻率可以達到理想值1000MT/s,甚至更高,信號質量得到顯著提高。
未經處理的信號 優化后的信號
由于IO頻率的提升,NAND到Controller DDR RAM之間數據傳輸的時間減小,就單個Data Frame而言,時間減小2.288us,減小了讀時延,提高了QoS指標(Quality of Service 服務質量)。
浪潮信息:持續升級企業級SSD
浪潮信息企業級SSD(型號NS6500G2),采用8 Channel SSD Controller(SHX1000),通過以上措施提升NAND信號質量,使得NAND IO頻率穩定運行在1.2GT/s,將PCIe4.0性能發揮到極致。除SSD Controller之外,NS6500G2在NAND顆粒和Firmware上實現全部技術創新,支持加密算法和標準日志接口,能提供高運維效率,降低客戶TCO。多項關鍵技術創新能夠更好地滿足客戶需求。
近年來,浪潮信息持續加大產品投入和創新,通過內在技術打磨和外延銷售網絡擴展,不斷提升自身在各生態領域下的地位,以精益精造的理念,不懈追求更高速、更可靠的數據傳輸模式,充分發揮閃存高效、可靠、綠色的優勢,以創新助推技術產品化,以合作謀求行業數字化轉型,全面釋放數據價值,推動數字經濟融合發展。
