从NAND到SSD，坚信闪存“革命”，英特尔闪存创新加速
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2021-09-29 15:52
作为大会的合作伙伴之一，英特尔也积极参与到了开放数据中心峰会的现场交流中。英特尔NPSG应用工程部经理翁昀在峰会演讲中表示，推动NAND技术持续创新，英特尔一直助力用户数字化加速，释放存储潜力，借助闪存技术的创新推进数据中心与企业用户降本增效，实现绿色低碳发展的目标。
英特尔NPSG应用工程部经理 翁昀
作为全球闪存技术领域的资深厂商，英特尔在闪存领域的技术积累十分广泛，从NOR Flash到NAND Flash，从32层NAND Flash到64层、96层，再到最新的144层，从SLC、MLC、TLC到QLC，跟随大数据时代步伐，一如既往地聚焦用户需求变化，加速创新，英特尔坚信，闪存技术的发展必然可以在数据中心与企业用户中发挥出前所未有的作用。
从NAND到固态盘SSD
全面聚焦闪存发展
英特尔对于NAND领域的长期投入，并非心血来潮，而是植根于用户对于闪存应用需求的高涨，更是顺应闪存行业发展的大趋势。
从IDC或Gartner的相关报告可以看出，全球存储器市场规模已经非常庞大，在整个全球半导体行业中，存储器市场规模的增长速度成为了其中最大的亮点。
事实如此，那么英特尔对于从NAND到固态盘SSD的长期投入，也是十分值得的。
不过，英特尔的这个长期性，长达三十年之久，这是全球存储芯片领域也是少有的。
早在1980年左右，英特尔开启了NOR Flash的创新，不过当初1.5微米的制造工艺相比现在纳米级制程工艺实在是落后了许多，1微米=1000纳米，可见芯片制造工艺发展之快，三十年来可谓日新月异。
2005年，全球先进芯片制程工艺聚焦在了应用更为广泛的NAND Flash领域，从65nm起步不断向前发展，当前在2D NAND领域可以实现1x nm工艺级别，与此同时，从SLC、MLC、TLC、QLC一路发展过来，从2D时代迈向了3D时代，NAND Flash堆叠层数也从32层一直提升到了144层，并且在2020年英特尔就实现了量产。
就此而言，NAND Flash的发展之所以引发全球存储行业的长期关注，原因在于NAND Flash在很大程度上决定着数据存储性能与容量的提升，同时对于SSD、存储阵列的创新带来必不可少的底层基础作用。
随着在NAND技术上采用三维架构带来了容量与性能的突破，3D NAND就成为了全球NAND Flash厂商的标配。从平面结构升级到三维架构，借助制程工艺技术的创新，存储单元层数的增加，不仅可以实现在NAND Flash单位面积下更高的存储容量，同时也标志着NAND Flash厂商技术创新的水平。
在存储容量与成本方面，英特尔在2016年推出了第一代32层堆叠的TLC NAND Flash。一年后，2017年正式将堆叠层数翻番到了64层，并同时进入到了QLC NAND Flash领域，从而带来存储密度实现约133％的提升。两年后，2019年正式推出了96层堆叠的QLC NAND Flash，存储密度再度提升约50％。一年后，2020年推出了144层堆叠的QLC NAND Flash，存储密度再次获得了约50％的提升。
从2016年到2020年，在五年时间里，英特尔将NAND Flash单位面积的存储密度提升超过了四倍，这意味着对于用户采用的单位成本获得了成倍的降低。
在QLC NAND Flash领域的持续发力，让英特尔成为了全球首家出货数据中心、消费级QLC PCIe SSD的企业，并且在企业级QLC PCIe SSD领域也迎来了前所未有的成果。
在存储可靠性方面，针对架构、材料、工艺等多个方面进行努力，英特尔三十年来不断创新优化，不断提升单元可靠性。英特尔3D NAND闪存采用了成熟的Floating Gate浮栅技术，不同Cell单元之间保持隔离，通过浮动栅极技术存储电子路径，可以非常好地防护电荷丢失和单元间干扰。浮栅技术通过隧道氧化层控制电子流动，独特的垂直全环绕栅极结构可以让每个单元提供的电子数接近平面浮动栅极的6倍，更多电子容量还意味着可以让存储单元受到少量电子泄漏造成的电压变化的影响更低。
为此，英特尔独特的浮动栅极技术可以实现业内领先的面密度，更小的单元尺寸，预计比替代性技术小大约15%。而且英特尔的阵列下CMOS具有业界少有的独特性，不会浪费空间，可以在几乎每平方毫米晶圆上制造更多存储单元。这两项技术结合起来，使得面密度比替代性产品高10%。
当然，英特尔对于NAND Flash技术创新的追求永无止境，QLC之后便启动了PLC研发，浮栅架构的QLC为PLC的产品化提供了可行性。PLC NAND Flash的每个单元可以存储5个比特，形成多达32种状态，如SLC、MLC、TLC、QLC的NAND Flash每个单元可以存储1个、2个、3个、4个比特，可以形成2种、4种、8种、16种状态。可见，未来PLC NAND Flash的量产成功也将是一个划时代的标志。
在存储性能方面，创新的浮动栅极架构结合阵列下CMOS技术，没有Cell开销，也改变了Cell配置，对存储容量和性能都带来很好提升，很大程度上助推了SSD的行业应用普及。
此外，基于闪存技术和架构创新的不懈追求，英特尔还采用了独立多平面读取操作（IMPRO）技术，通过将四个平面分成两个可以异步读取的双平面组，从而使读IOPS增加了一倍。
聚焦闪存发展，有了在NAND Flash领域近三十年的创新积累，自然也有助于英特尔在企业级SSD产品上实现长期创新。为此，直面用户需求，英特尔在NAND和SSD两个领域都保持着全球领先地位。
精品打造QLC
144层3D NAND来袭
从2017年开始，QLC经过64层、96层的技术积淀，到了2020年正式亮相144层QLC的3D NAND Flash产品。对于英特尔而言，在QLC路线上为何如此坚持？
原因很简单，随着用户数字化转型与升级的加速，对于应用加速带来的数据存储性能支持有着更高要求，QLC历经实践与技术的磨砺，在企业级领域的应用逐渐成熟起来，同时立足QLC的3D NAND打造企业级闪存的先进应用，不仅性能上拥有比HDD更明显的优势，同时在每GB成本上也让数据中心和企业用户动心。
经过英特尔不断打磨，QLC的3D NAND Flash已经在平均故障间隔时间、平均温度、质保寿命、不可修复错误率(UBER)、数据持久性等质量与可靠性指标上看齐TLC，并且兼容同样的集成电路设计，简化了升级换代的技术复杂性。
相比2018年64层堆叠的QLC 3D NAND Flash，最新的144层堆叠在可靠性、最大写入量上已经提升4倍，读取负载QoS提升最多50％，底层写入性能提升最多40％。
基于144层3D NAND的SSD已经成为2021年主流产品，最高容量达到32TB。其中面向企业级的英特尔SSD D5-P5316和面向消费级的670p系列独具行业代表性。
D5-P5316推出了U.2 15mm和E1.L两种形态，后者最大容量高达30.72TB，主要面向热存储而优化。持续读取性能最高为6.8GB/s，比上代D5-P4326提升2倍多，4K随机读取最高800K IOPS，比上代提升38％。寿命方面支持3000次编程/擦写循环，30.72TB型号的终身最大写入量为18940TB，是上代的4倍多。
英特尔面向主流消费级市场正式推出了670p系列固态硬盘，包括512GB、1TB、2TB这三种容量版本，能够为电脑用户们在日常办公乃至游戏娱乐过程中带来出色的存储性能。
由D5-P5316和670p系列产品可以看出，英特尔QLC 3D NAND固态盘还可提供密度优化与媲美TLC的读取性能，有助于企业组织大幅降低读取密集型存储工作负载的资本支出(CapEx)。对于大多数现代工作负载部署，QLC NAND固态盘可提供富余的耐用性。
一方面，英特尔QLC NAND的实际耐用性超出了传统认知和理论限制。
二方面，QLC NAND固态盘具有更大的容量，能够将磨损分散到更大的区域。
三方面，大多数固态盘在使用的全程，只会消耗一小部分额定的固态盘寿命。
通过三十年的浮栅架构技术积累，英特尔不仅打造出了144层QLC 3D NAND Flash业界精品，而且也构建了一款毫无妥协的解决方案。此外，英特尔QLC 3D NAND固态盘满足联合电子设备工程委员会 (JEDEC)的所有要求，从而将QLC 3D NAND闪存应用推向更广泛的行业领域。
多形态SSD发展策略
加持数据中心与企业的数字化创新
诚然，数据中心与企业用户的数字化创新之路，切实存在不同的应用场景以及对于SSD的不同应用形态。为此，凭借英特尔固态盘优势，以及在PCIe Gen4 SSD上的发展策略，在2020和2021年连续发布了多款SSD产品。
在2020年底，一口气批量推出了六款SSD产品：采用144层TLC NAND的数据中心级NVMe SSD D7-P5510、采用144层QLC NAND的数据中心级NVMe SSD D5-P5316、采用144层QLC NAND的客户端消费级NVMe SSD 670p、采用第二代3D XPoint的数据中心级NVMe SSD Optane SSD P5800X、采用144层QLC和3D XPoint的客户端消费级NVMe Optane持久内存H20、采用3D XPoint DIMM的Optane持久内存300系列（代号Crow Pass）。
其中，采用QLC闪存技术的D5-P5316 SSD获得了2021ODCC产品大奖。
在2021年，企业级SSD方面，面向云存储应用加速的144层TLC的D7-5510在2021年上半年已经批量出货。D7-P5510采用2.5英寸U.2形态，容量3.84TB、7.68TB，值得一提的企业级特性包括了支持改进的健康监控与管理、动态多重命名空间、针对云负载优化的新算法、端到端数据保护、意外掉电保护、企业级安全等。
针对温存储优化的搭载144层QLC的D5-5316在2021年第二季度已经批量发售。2021年7月7日，发布了用于传统服务器应用的SATA接口的搭载144层TLC的D3-S4520和D3-S4620。
由此而言，多形态SSD，有助于加持数据中心与企业用户的数字化创新。基于过去三十多年的闪存技术积累，英特尔坚信闪存“革命”已经到来，也将持续投资，以促进并加速存储解决方案创新。
（by Aming）
