什么樣的數據架構才能滿足ZB時代數據存儲需求？
2019年的存儲市場遇到了需求趨緩、價格下跌、庫存積壓等不利因素的影響，但并沒有影響存儲市場需求的不斷增長和產品技術的不斷提升。在不久前于深圳舉辦的閃存市場峰會（CFMS 2019）上，西部數據公司高級副總裁兼中國區總經理Steven Craig在大會上進行了“ZB時代的數據存儲核心架構–機遇、挑戰和階段”的主題演講，在演講中Steven也對存儲市場的前景表示樂觀，他認為，NAND閃存市場將會在年底重拾上行之勢。
圖1：西部數據公司高級副總裁兼中國區總經理Steven Craig認為NAND閃存將會重拾上行之勢。
存儲技術趕不上數據產生速度
做出這個判斷的原因是，他看到現在的數據產生量在不斷攀升中，2018年約產生了32ZB的數據，ZB是個什么概念呢？我們現在的手機存儲容量一般是64GB，1ZB=1024EB=1024×1024PB=1024×1024×1024TB=1024×1024×1024×1024GB，即1040GB，約1萬億GB。這是一個超級龐大的數字，“到2023年，預計會產生103ZB的數據?！?Steven Craig進一步指出。這些數據主要來源于末端的邊緣數據、在邊緣進行整合后的數據，以及在云端經過了處理和轉換的智能信息。
在Steven Craig看來，這些看似龐大的數據其實只有小部分會被存儲下來，比如說2018年的數據存儲量是5ZB左右，占產生數據的15%；預計到2023年，存儲下來的數據為12ZB左右，占產生數據的11%，其他的數據將會失散掉，而且將永遠也不可能找回來了。
存下來的數據如此少，是有原因的，其中一個重要原因就是我們的存儲技術和設備沒有趕上數據增長的新趨勢。因此，Steven Craig指出，“我們必須轉變我們的思維模式，為未來更大規模的數據存儲做準備，準備好相關的技術?！?/div>
圖2：2018年產生的數據為32ZB，存儲的數據量為5ZB；預計2023年將會產生103ZB的數據。
主流3D NAND閃存已達96層仍不夠用，QLC崛起
隨著數據量的迅速增大，主流存儲技術也在迅速向前推進中。3D NAND閃存從2014年的24層，到2016年的48層，到2017年的64層，再到2018年的96層，以及明年的1XX層，技術更新速度越來越快。
圖3：NAND閃存技術的快速發展。
不過，Steven Craig在主題演講中也提到，單純地增加層數，看似簡單，但實際上并沒有幫助生產企業降低成本，而是增加了更多的成本，而且有可能會出現錯誤。增加層數，意味著需要制造更多的晶圓，從而導致成本上升，他拿48層擴展到64層舉例說，當時的成本大概是8000美元每平方米?！爱斎?，我們可以通過規模化生產來降低成本?！?Steven Craig指出。
目前，擴大閃存的容量主要有三種方法：一是增加存儲孔密度；二是增加存儲單元密度；三是通過邏輯擴展增加比特密度。
圖4：增加閃存容量的三種維度。
三種維度增加容量的效果各不相同，“從64層擴展到96層時，存儲孔密度大概增加了10%；存儲單元密度增加了68%；TLC比特密度增加了65%。綜合這三種方法就可以看到整個閃存容量的增長了?！?Steven Craig在演講中表示。
邏輯擴展中，目前主流的技術是TLC，不過下一代將會是QLC，QLC可以實現每個存儲單元4比特的數據，他預計到2025年，整個QLC的市場占有率會增加到50%，這包括企業級、消費級和移動類的閃存應用。
圖5：QLC與TLC增加的比特密度對比。
雖然QLC具有可擴展、成本/TCO效益和極佳的訪問和讀取性能等優點，未來可能會迅速崛起，但是不是會一帆風順地接班TLC呢？那也未必，因為目前QLC也面臨著一些關鍵的挑戰，比如說寫入限制。
面臨寫入限制挑戰的不止有QLC，還有疊瓦式磁記錄（SMR），該技術在制造工藝方面的變動非常微小，但卻可以大幅提高磁盤存儲密度。SMR盤將盤片上的數據磁道部分重疊，就像屋頂上的瓦片一樣。
盡管SMR盤的讀行為和普通磁盤相同，但它的寫行為有了巨大的變化：不再支持隨機寫和原地更新寫。這是由于SMR盤上新寫入的磁道會覆蓋與之重疊的所有磁道，從而摧毀其上的數據。換言之，相較傳統磁盤而言，SMR盤不再支持隨機寫，只能進行順序追加寫。寫入方式的限制給欲使用SMR盤的存儲系統帶來了巨大的挑戰。
分區存儲解決高容量存儲盤的寫入限制挑戰
為了應對QLC和SMR這兩種高容量存儲盤面臨的寫入限制挑戰，不能停留在介質本身，而是要看整個數據的基礎架構，因此西部數據提出了一個開源的標準化的分區存儲技術，Steven Craig表示，希望西部數據的分區存儲架構可以賦能應用層、主機和存儲，互相協調數據存放位置，充分利用在SMR HDD上可以實現的最大存儲容量，以及在融入新興分區命名空間（ZNS）標準的NVMe SSD上實現更好的耐久性、可預測的低延遲和QoS（服務質量）性能。
圖6：西部數據公司產品市場部副總裁朱海翔。
西部數據公司產品市場部副總裁朱海翔表示，分區存儲技術可應對新興應用帶來的數據爆炸，幫助用戶在ZB級容量的存儲時代保持具有競爭力的總體擁有成本，并實現更大的規模效益。
“自從西部數據6月份推出分區存儲技術后，我們已經和全球基本上所有的大型云服務商和大型OEM系統廠商共同攜手，能夠實現整個系統層面的智能化數據安全，可以很好地幫助最大存儲密度的QLC在數據中心的大規模部署?！爸旌Ｏ柙诿襟w群訪時表示。
對于數據安全，他特別指出包括三個方面的保障：
第一，從存儲器的固件上，西部數據的固件提供了多種加密選項供系統廠商選擇，比如說SE、ISE、SED，各種加密的選擇標準都可以滿足，這樣的話可以很好的配合系統層，甚至一些國家的規定，增加在系統端對于存儲硬件、軟件順利的加密。
第二，從產品的特性上，西部數據的產品有一個Host Lock，當你插入系統或拔出系統都有一個“握手”的過程，如果說“握手”不成功，就根本沒有辦法得出數據，這是通過軟件層面實現的。該技術，在SD卡上叫Host Lock，HDD上叫ATA。
第三，從元器件的健康管理上，以硬盤為例，西部數據有兩種健康管理。一種是基于設備，西部數據能夠根據設備上的超過幾百種參數，通過人工智能的方式預測硬盤在什么時候會壞。這樣，可以預先進行維護、更換或者遷移數據。
圖7：西部數據提出的分區存儲架構。
在演講中，Steven Craig還介紹了西部數據在分區存儲技術生態系統中的兩種硬盤，其15GB的SMR HDD硬盤已經批量出貨，20TB的SMR HDD預計將在明年正式上市；ZNS NVMe SSD平臺也推出了一款產品DC SN340。
Steven Craig認為，SMR和ZNS將通過提供智能化應用架構成為當前和未來ZB級數據時代的關鍵基石。
圖8：開源的分區存儲生態。
三種全新存儲解決方案滿足多種物聯網和工業應用場景需求
除了分享閃存技術的發展趨勢，西部數據在本次CFMS2019上帶來了專為工業4.0時代和物聯網設備設計的三款全新解決方案：iNAND IX EM132嵌入式閃存盤、IX LD342 SD存儲卡和IX QD342 microSD存儲卡。
圖9：西部數據推出的面向工業和物聯網應用的三款全新解決方案：iNAND IX EM132嵌入式閃存盤、IX LD342 SD存儲卡和IX QD342 microSD存儲卡。
談到發布這三款工業級產品的原因，西部數據公司產品市場部總監張丹解釋說，他們經過對現在及未來ZB時代數據的分析和研判后發現了數據的兩個趨勢：一是數據上云；二是算力下發。
數據上云很好理解，算力下發就是指邊緣計算，以后會有越來越多的計算能力會放在邊緣端，也就是說邊緣端的計算能力會越來越強，邊緣計算增強后，會創建出很多新的商業模式，比如自動笑臉、無人商超、智能安防、自動駕駛、智慧工廠等等。這些不斷變化的物聯網和工業解決方案，都會實時生成海量的數據。因此，“為了適配增強的計算能力，以及由該計算能力推動的數據變化，我們推出了一些列配合邊緣計算的產品。”張丹指出。
圖10：西部數據公司產品市場部總監張丹在介紹西部數據的系列產品。
雖然都是邊緣存儲的需求，但因為物聯網和工業的應用場景太多了，而不同應用場景對存儲的要求其實是不一樣的。張丹按照存儲要求的不同，將物聯網和工業的應用場景分成了四類：
一是基于圖像，尤其是需要進行圖像分析的應用場景，比如安防、無人機、交通、穿戴式攝像頭等。該場景下存儲器的工作負載非常大。它是以高碼率的數據流、圖像流，長時間持續的寫入。這對存儲器件的帶寬和寫入壽命有一定要求，或者是非常嚴苛的要求。
二是工業網關、工業自動化和自動建筑應用場景。該場景下，可能沒有高頻的數據流的寫入，但要求高可靠性，因為存儲器件工作的環境非常的嚴苛，器件能不能適合嚴苛的、潮濕的或是多震、高海拔的等等不可控、不可抗，甚至是特殊的應用場景，也要在設計中考慮覆蓋這部分的應用需求。
三是物聯網模塊、智慧醫療、自動售貨、嵌入式數據等新興應用場景。這類應用場景，未來不知道會發展到什么程度，還有太多未知的領域和數據鏈條可能要去探討。
四是數字標牌、銷售點、控制平臺等傳統的應用場景。這類應用場景需要滿足可靠性、有效性、數據的互通性，以及跟平臺的配合性等需求。
總的來說，要想滿足這些不同應用場景下的物聯網和工業需求，存儲產品需要滿足溫度、使用壽命、可靠性等需求。
隨后，張丹詳細介紹了西部數據新推出的工業級存儲產品。
其中，iNAND IX EM132嵌入式閃存盤，是西部數據首款專為工業及物聯網設備應用而設計的e.MMC嵌入式閃存盤，搭載了西部數據高可靠性的64層3D NAND技術，最大容量已經提升到256GB。該產品有兩種版本的寬溫范圍，分別是-25°C至+ 85°C以及-40°C至85°C。
她特別提到，iNAND IX EM132嵌入式閃存盤是西部數據第一款基于3D技術的工業級產品，前兩代產品都是基于2D的MLC。雖然采用的是3D TLC，但該閃存盤還是延續了其2D產品需要的3000次PE循環，支持最新的e.MMC5.0標準，隨機寫入速度可達200M/s以上。同時，它也支持高級運行狀況管理、熱管理、智能分區、自動和手動讀刷新等特性，以及達到了JEDEC標準的數據保持力。
“經過我們的設計，TLC可以達到3000次PE，但當在對耐久性有更高要求的新興應用場景中，我們還可以通過智能分區特性，將我們器件里的一部分或者全部還原成SLC，SLC的壽命或者讀寫次數可以達到10萬次/100k。”張丹進一步解釋說，“智能分區還有一個好處是，在還原SLC的過程中，可實現純粹的物理分區或隔離?！薄?/div>
IX LD342 SD存儲卡和IX QD342 microSD采用的也是3D NAND閃存技術，SD存儲卡最高可提供512GB的容量，microSD存儲卡最高可提供256GB的容量。且都具有3000P/E循環，可支持工業和物聯網設備的存儲需求。
這兩款產品同于具有運行狀況管理和熱管理等特性，同時在存儲卡內址如了一種功能，即主控鎖定，這在一定程度上可以保證數據的安全性，只有跟主控對密成功的主控才可以讀取存儲卡內的數據。這樣就可以防止任何人都能讀取公共攝像頭內存儲的數據。
產品展示
上面提到的這些新產品在此次閃存市場峰會的西部數據展臺都有展示。
圖11：西部數據展示的IX LD342 SD存儲卡和IX QD342 microSD產品。
這兩款存儲器產品microSD卡只有食指指甲蓋大小，最高厚度為1.1mm。
圖12：與NXP合作的demo。
該demo主要用來演示存儲器已經寫入多少次，曾經工作過的最低溫度、最高溫度和現在正在運行的溫度。它還有多長的使用壽命，已經啟動了多少次等參數。
圖13：這里演示的是西部數據推出的ZNS SSD。
該款ZNS SSD主要針對分區存儲生態的，目前采用的是TLC，未來將會采用QLC。
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