从英韧企业级主控看数据中心SSD的未来技术｜云岫同行者
全球正在进入数字经济时代，中国的“十四五”规划也重点提到发展数字经济，作为第五种生产要素的数据已经逐渐转变为引领经济发展的核心，各种大、中、小型数据中心业已成为数字经济的基础设施。在这项庞大的新基建工程中，数据存储技术将不可避免地成为基石技术。
随着存储需求的快速增长，QLC等大容量、高密度的新型闪存芯片逐渐投入应用。然而QLC等新型闪存芯片的错误率更高，在企业级SSD对数据安全性和可靠性要求更高的情况下，SSD主控芯片的ECC(纠错码Error Correcting Code)技术越来越成为企业级SSD的核心技术和性能保障。
近日，云岫资本合伙人兼首席技术官赵占祥访谈了全球领先的企业级SSD主控芯片公司英韧科技副总裁陈杰，共同探讨企业级SSD对ECC的新要求，核心观点整理如下：
企业级SSD市场正高速增长
伴随5G、大数据、 AI及云计算技术的发展，大量的新商业应用将催生出对边缘计算和数据中心的海量需求。据IDC预测，全球数据总量预计2020年达到44ZB，5年年均复合增长率高达41.0%，其中超过50%的数据存储在数据中心；2025年，全球数据量将达到175ZB，5年年均复合增长率31.8%，而数据中心存储量占比将超过70%。企业级SSD作为数据中心越来越重要的存储介质，2020年出货量将达到3560万个，平均容量达到2.7TB，出货总容量较2019年增长近30%。
下图是近年来中国闪存市场发布的企业级SSD平均容量和出货量增长趋势。2020年，疫情带来的在线办公和网课需求加速了数据中心SSD的需求增长，因此，其实际增长高于预期。
QLC SSD在数据中心的应用趋势
在控制成本的前提下，提升数据中心的容量、实时性等性能，是目前数据中心的主要需求。受需求驱动，数据中心使用QLC是大势所趋。
首先，使用QLC SSD将为服务器和数据中心带来更低的读延迟，使其更适用于实时性要求更高的数据读取密集型应用，如AI计算、机器学习、金融数据实时分析和各种在线大数据信息挖掘等。
其次，QLC在海量数据中具有巨大的成本优势，因此相较于SLC\MLC\TLC，陈杰认为QLC最有可能在数据中心有更大的应用场景。QLC本身容量大、成本低，使用了QLC SSD之后，存储密度更高，服务器集成度更高，这会极大节省数据中心面积，进而节省运营成本。
与此同时，世界各大主流NAND FLASH厂商，如美光、Intel、铠侠和长江存储积极致力于QLC的研发，并相继发布了各自的QLC产品。
随着技术的不断进步，人们普遍担心的QLC擦写寿命少正逐渐被改善和提高，比如从早期的500次擦写提高到近年来的2000次擦写。未来的NAND会有更多层，以及即将推出的PLC（i.e., 5-bit per cell）， 都会使得成本被进一步降低，同时也将加速QLC的应用进程。
当然QLC也有缺点，它的写延迟是12ms，非常长，目前的擦写次数通常只能达到2000，另一个应用中的较大问题是Data Retention，这些都需要通过主控技术进行补偿。
作为全球技术领先的SSD主控设计公司，英韧科技从2016年成立之初，就和美光、铠侠在QLC方面开展合作。
基于特有的专利编解码技术，英韧科技于2018年成功研发并全面启用4K LDPC（低密度奇偶校验Low-Density Parity-Check）纠错技术，并广泛应用于自主研发的消费级和企业级主控芯片中（如Shasta+ 和 Rainier），极大地降低了系统UBER(不可纠错误码率Uncorrectable Bit Error Rate），引领了纠错编解码技术在行业的技术创新发展。
目前英韧的PCIe SSD各类主控芯片Shasta+及Rainier系列均支持4K LDPC，纠错能力可以完全覆盖QLC NAND。
4K LDPC牛在哪儿？
随着NAND Flash的制程越来越先进、单个Cell里的bit数量不断增加，数据错误率也随之增长，因此市场对SSD主控的纠错能力要求越来越高，纠错技术已成为SSD主控厂商的核心技术能力。
目前的SSD主控芯片大都采用LDPC编码来做ECC纠错，但是受限于芯片面积等因素，主流量产的主控芯片主要采用2K LDPC编码。
2018年，英韧科技推出了4K LDPC并在2019年实现量产出货。在同样的码率下（纠错码使用bit数量一样），实测4K LDPC纠错比2K方案降低UBER至少两个数量级以上，大大提高纠错性能。除此以外，英韧主控采用自主研发的LDPC专利算法，在解码算法迭代的时候，实时动态更新并优化解码规则，因此纠错能力比同类竞争对手方案提高30%。
在芯片中实现4K LDPC的难度很大，如果不做优化，相当于至少2个2K LDPC，因此对面积、功耗都有极大的挑战和要求。英韧科技从芯片架构设计开始，就考虑到了这些问题，针对不同的功耗、复杂度和吞吐率等需求，研发了多种不同性能的LDPC解码专利算法，同时利用机器学习和人工智能技术，对各种解码算法进行结构和参数优化，使得这些算法硬件复杂度和在满足各自的需求方面都达到最优。最终实现功耗和面积达到现有条件下的极致优化，远远小于2K LDPC的2倍。
无论当下还是未来，SSD主控芯片厂商必须要有纠错算法的自研能力，才能在主控设计中游刃有余。
英韧科技的LDPC纠错码核心完全自主可控，其纠错技术优势主要体现在两方面，其一是研发设计LDPC纠错码。
设计并构造性能优异的LDPC校验矩阵是至关重要的一步，因为LDPC校验矩阵的设计构造往往决定了LDPC纠错码的纠错性能和编解码算法的实现复杂度，如果校验矩阵设计考虑不周到或设计不好，仅仅靠解码算法很难将错误平层（Error Floor）降低到不影响系统性能的水平，而且会增加LDPC编解码算法的实现复杂度，带来芯片功耗的增加和成本的上升以及系统性能的下降。
另一方面是解码算法，随着读写次数增加，闪存颗粒错误率会逐渐上升。英韧科技的解码算法可以自适应调整解码算法的流程，在最低功耗、最低延时的情况下做到解码成功。
基于以上两方面的技术优势，英韧主控的纠错于设计之初就从底层原理出发，对矩阵构造和编解码算法都有许多精妙的优化，实现了很多突破。最终纠错能力极强，发生纠错失败从而触发重读的概率很小，同时纠错算法消耗的数据读取延迟短、功耗低。比如从主机发读命令到读取数据，主控的时延只需要10微秒！
目前市场上有多家闪存厂商，每家也有很多型号的闪存芯片，每年也推出最新的产品，这就对ECC纠错提出了一个更高难度的任务：能否支持各种各样闪存芯片和未来可能出现的新闪存芯片？如果对闪存芯片支持不好，就将给客户在选择采购闪存芯片时造成了很多限制。
英韧主控的ECC引擎做成了指令集的形式，可以通过软件程序动态配置，更通用化，能够灵活适配各种闪存颗粒。同样的NAND在不同生命周期的时候，还可以使用不同的LDPC纠错码。比如可以根据寿命改变码长，早期放少一些，后期放多一些。这样使得SSD系统在牺牲少许容量的情况下延长使用寿命，为更高效使用SSD系统提供了一个可能，让接近使用寿命的SSD系统继续发挥余热，为使用SSD系统的客户提供了一种新的降低成本避免资源浪费的解决方案。
英韧科技持续不断地对LDPC纠错码进行研究，对现有的SSD控制器中的LDPC编解码模块，设计了用于未来升级的接口协议。当一个新的性能更好的LDPC码产生出来，可以通过该升级接口协议对现有的SSD控制器的LDPC编解码模块进行升级，使得用户能够及时享受到英韧的最新研究成果，延长客户产品的使用周期和寿命。
每一个ECC引擎都相当于一个小CPU，几个ECC引擎就相当于多核并行处理器系统。ECC引擎的扩展性非常重要，因为SSD主控的性能不断提升，要求每个ECC核心的性能很强，同时支持多核扩展。英韧ECC单核纠错速度可以到32Gbps。即使是PCIe Gen 5的主控，也只需要增加ECC核心，而不用太大改动，芯片研发速度因此可以大大加快。
然而，ECC引擎多了之后，功耗也会随之升高。英韧科技PCIe Gen4主控Rainier主要通过以下几种方式，实现了目前市场上PCIe主控芯片的最强性能和最低功耗：
采用先进的12nm工艺；相较于市场上采用28nm工艺的PCIe Gen4的SSD主控，这更能良好控制温度，提高用户体验； 在不工作时降低或者关闭时钟频率； LDPC会有大量片内存储器访问，导致功耗高；而英韧主控的内部数据搬移非常少，大幅降低功耗； LLR Table的选择做了很多优化，不刻意追求高精度。
闪存芯片未来将如何演进？