Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘通过对历经考验的成熟技术进行数代改进，令耐用性达到恰到好处的水平。例如，与竞争对手旗下 QLC NAND SSD 相比，适用于数据中心的第一代 QLC NAND 驱动器 Solidigm D5-P4320 可实现最高达 4 倍的耐用性提升。[1] 更新型的 Solidigm® D5-P5316 让耐用性水平更上新高，其随机写入耐用性与前代 Solidigm QLC NAND SSD 相比，实现了最高达 5 倍的提升。[2]

对访问更多暖数据的需求日益增长

我们都见证了数据呈指数级增长的统计数字。据 IDC 称，到 2025 年，全球范围内的数据量预计将膨胀至 175 泽字节 (ZB)。[3] 这些数字令人震惊，但要了解故事的完整面貌，不能仅仅着眼于数据量的不断增长。还有对于增加随时可用的数据，让数据保持“温暖”的需求，以便将其应用于数据分析、人工智能 (AI），机器学习 (ML) 和内容交付网络 (CDN) 等当今的业务关键型应用程序。例如，AI 和分析结果的准确性通常会随着这些应用程序得到的馈送数据量和种类的增加而提升。要为这些工作负载提供海量且不断增长的热数据，就必须部署与之适配的高容量存储。

为应对不断增长的容量需求，许多组织在自身的数据中心部署价格低廉的机械硬盘驱动器 (HDD)。但是，机械硬盘无法跟上现代工作负载所需的更高速的读取访问。机械硬盘还会在数据中心占据相当大的空间，从而推高空间、电力、冷却和更换成本。

另一些组织采取的策略是，用速度更快、密度更高的三级单元 (TLC) NAND 固态硬盘 (SSD) 取代速度较慢、体积较大的机械硬盘。TLC NAND 固态硬盘非常适合混合和写入密集型工作负载，例如缓存应用程序，但这些驱动器通常不会针对以读取为中心的大规模数据需求进行成本和容量优化。

更切实可行的方案是用 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘取代机械硬盘，前者将高成本效益的大容量与远超机械硬盘的性能结合到了一起。事实上，与机械硬盘相比，30.72TB D5-P5316 可将温暖数据存储占用空间减少最多 20 倍。[4] 与机械硬盘的持续传输速率相比，Solidigm

QLC 3D NAND 固态硬盘的顺序读取性能也可实现最多达 25 倍的提升。[5] 由于 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘提供密度优化以及类似 TLC 的读取性能，这些 QLC NAND 固态硬盘提供了大幅降低读取密集型存储工作负载资本支出 (CapEx) 的机会。 QLC NAND 架构 通过将数据存储密度提高到每个单元 4 位，四级单元 (QLC) NAND 技术将数据扩容至比单级单元 (SLC)、多级单元 (MLC) 和 TLC NAND 技术更高的水平，每单元存储的位数比 TLC NAND 多 33%。随着存储密度的增加，每 GB 成本有所下降（见图 1）。

提高 NAND 固态硬盘的密度

图 1. PCIe Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘的每个单元包含 4 个存储位数，也就是每个单元位数比 TLC 固态硬盘多 33%，同时提供与 TLC 固态硬盘相当的顺序读取性能。[6]

固态硬盘和机械硬盘的耐用性比较

 

机械硬盘的耐用性主要是对设计构成物理限制的一个因素。机械硬盘的设计依赖于许多移动部件。由于这些部件会随时间推移而磨损，可能会出现错误，从而降低性能或令驱动器无法工作。例如，振动或冲击会导致磁头错位。因为耐用性主要是一个对机械硬盘构成物理限制的因素，这些驱动器的读取和写入会受到同等程度的影响。

另一方面，固态硬盘则不含活动部件，因此不会受到这样的磨损的影响。对于固态硬盘而言，耐用性问题是单个单元老化的结果，而这主要是由写入（而不是读取）引起的，这种问题还可以通过控制器固件中的各种缓解技术来解决。

NAND SSD 的写损耗程度部分取决于驱动器上现有数据的状态，因为数据以页的形式写入，但在擦除时则是以块的形式。在将顺序数据写入相对新的固态硬盘时，数据可有效写入驱动器上的连续空闲页面。但是，当需要更新较小的数据块（如修改文档或数值）时，则需先将旧数据读入内存、进行修改，然后再将其重新写入磁盘上的新页。包含废弃数据的旧页面被标记为无效。

当空闲页面不再可用时，系统需要释放这些“无效”页面，以便在称为“碎片整理”或“损耗均衡”的后台进程中使用。这时必须先将给定块中的所有现有有效页面复制到驱动器上的其他空闲位置，以确保原始的块中仅包含无效、废弃的页面，然后才能擦除原始块，为写入新数据释放空间。NAND 的内部管理进程（如损耗均衡）会导致写入量被放大。在这种情况下，固态硬盘上的内部总写入量就会大于将新数据存储到驱动器中所需的写入量。由于每次写入都会略微降低单个 NAND 单元的性能，因此写入放大是导致损耗的主要原因。

内部进程有助于 NAND 固态硬盘将损耗分散到整个驱动器上。但最重要的是，写入量较大的工作负载（如随机写入）对 NAND 固态硬盘造成的损耗比其他输入/输出 (I/O) 模式更快，因为这类负载会导致更严重的写入放大。

QLC NAND 固态硬盘为现代工作负载提供卓越的耐用性。

对于大多数现代工作负载部署来说，QLC NAND 固态硬盘可提供足够的耐用性，因为：

• Solidigm QLC NAND 的真实世界耐用性超乎想象和理论测算。
• QLC NAND 驱动器的高容量，使磨损得以分布到广阔的范围内。

实际耐用性 vs. 预期耐用性

 

Solidigm D5-P5316 提供业界领先的 QLC NAND 固态硬盘耐用性[7]。此外，QLC NAND 固态硬盘的真实世界耐用性表现在数个层面均超乎预期。固态硬盘驱动器控制器将写入均匀分配到整块驱动器上，以避免重复影响特定单元。高容量的 QLC NAND 驱动器为写入的分配提供更大的“表面积”，从而减缓整体老化。

此外，正如 2020 年 2 月发表在 USENIX 会议上的一项大型研究所强调的，人们对耐用性需求的设想与真实世界的使用模式之间存在显著差距[8]。论文指出，真实世界应用的耐久性要求通常远远低于企业的预设。作者表示，“根据我们的数据，我们认为对于绝大多数企业用户来说，向 QLC 的 PE 周期上限靠拢不会构成任何风险，因为 99% 的系统最多会使用其驱动器额定寿命的 15%。”

大容量 QLC NAND 的生命周期耐用性与容量较小的 TLC NAND 相当

 

固态硬盘的耐用性通常以驱动器的每日写入次数 (DWPD) 来衡量，也就是其在厂家标示使用寿命内每天可写入驱动器的数据量。另一种耐用性的表达方法是写入的 TB 数或写入的 PB 数，即其在规定的生命周期内可以写入驱动器的数据总量。驱动器的总耐用性取决于它的容量。例如，图 2 展示了一块理论 8 TB TLC 固态硬盘，额定耐用性为 1。

图 2. DWPD 和容量如何决定写入总字节数的示例。

DWPD 加上五年保修使用寿命，可支持连续五年每天写入 8 TB 数据。但值得注意的是，耐用性为 0.25 DWPD、享受五年保修的理论 32 TB QLC NAND 固态硬盘实际上提供与之相当的整体耐用性。这是因为可以写入该驱动器的数据总量与容量较小的 TLC 驱动器相当（32 TB 容量乘以 0.25 DWPD）。

此外，存储管理员还可以通过保留备用驱动器空间（在上面的理论示例中为 20%）来进一步提高有效耐用性。通过增加驱动器上的保留区域，可减少写入放大造成的磨损，因为可用于高效碎片整理和磨损均衡的可用空间会更大。 NAND 固态硬盘的耐用性与工作负载息息相关 如上所述，尽管存在常见的误解，NAND 固态硬盘的真实世界耐用性远高于机械硬盘，而且大幅高于厂家标示的 DWPD。但是，对于组织个体来说，耐用性的具体表现还取决于使用模式和工作负载的性质。

如图 3 所示，机械硬盘通常具有一致但较低的耐用性，而 NAND 固态硬盘的耐用性则取决于数据的模式和块的大小。 例如，如果一个应用的主要模式是频繁随机写入小块数据，那么与顺序读取大块数据相比，NAND 固态硬盘将承受更繁重的负担。这就是为什么对于需要快速访问更多数据，因而须配合大容量存储部署的读取密集型工作负载而言，QLC NAND 固态硬盘是理想选项。 QLC NAND 虽然针对读取性能进行了优化，但与其他数据使用模式也非常适配。得益于强大的大块数据写入性能，QLC NAND 能够兼顾特定细分领域的混合工作负载。 有关工作负载安排的具体示例，请参阅本文的“在数据中心使用 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘为现代工作负载提供支持”一节。 QLC NAND 的质量和可靠性 考虑到 QLC NAND 技术的复杂性，许多业内人士认为，必须在数据可靠性、数据保留性和整体驱动器可靠性等方面做出妥协。而 Solidigm 历时 30 年开发优化的浮栅架构经验可提供无需妥协的解决方案。Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘符合联合电子设备工程委员会 (JEDEC) 的全部要求，同时提供与得到普遍应用的 TLC NAND 固态硬盘相当的性能。

图 3. QLCC NAND 的实际耐用性：机械硬盘与 Solidigm D5-P5316 的对比 (PBW)[9]

表 1 显示 Solidigm QLC NAND 固态硬盘与 TLC NAND 固态硬盘的对比结果。二者均享有五年质保，故障率、不可纠错误码率 (UBER)、工作振动和温度范围等方面的评级也相同。

表 1. Solidigm QLC3 NAND 固态硬盘与 Solidigm TLC NAND 固态硬盘的质量和可靠性规格比较。

当我们对 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘与众多企业级机械硬盘的质量和可靠性评级进行比较时，差异更为明显。表 2 对 Solidigm D5-P5316 与两款常见企业级机械硬盘进行了比较。Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘的 UBER 表现比机械硬盘高出 2 个数量级。QLC NAND 驱动器在多种作业条件下均表现出色，具有较强的抗振动、抗高温和抗磁干扰能力。

表 2. Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘与常见企业级机械硬盘的质量和可靠性规格比较。

除了表 2 中突出的优势以外，与机械硬盘相比，NAND 固态硬盘的实际故障率也较低。同一项 USENIX 研究还发现，NAND 固态硬盘的平均年更换率 (ARR) 介于低至 0.07% 到近 1.2% 之间，而机械硬盘为 2% 至 9%。对这两个区间的对比显示，NAND 固态硬盘的 ARR 比机械硬盘低 7.5 倍和 28 倍。[8] 使用 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘为数据中心的现代工作负载提供支持 有了针对读取优化的大容量 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘，您可以从更多温暖数据中提取更多价值，同时利用成熟技术降低总拥有成本 (TCO)。 加速访问更多数据 QLC NAND 在对大量温暖数据的顺序读取和随机读取方面均表现了出众的性能。由于具有这些特征，该驱动器非常适合现代企业应用，例如 AI 或数据分析。

这些用例需要依靠快速读取性能和可预测的低延迟，以加快对数据和洞察的访问，还需要可扩展性，以便应对未来的需求。

图 4. 确定工作负载与 QLC NAND 固态硬盘是否匹配的特征。

要确定 QLC NAND 固态硬盘是否与您的工作负载相适配，请认准以下特征：

• 带宽：高读取带宽，能够将大量数据移至计算单元
• 服务质量 (QoS)：低延迟和高 QoS，有助于优化计算利用率，缩短结果产生时间
• 使用模式：读取密集型（顺序或随机）工作负载，即使存在大块写入压力也一样
• 块大小：从小型数据集到大型数据集都能兼顾

图 4 根据使用模式列出了能够与 QLC NAND 固态硬盘良好适配的工作负载类型。

Solidigm QLC NAND 性能

Solidigm D5-P5316 采用现代固件，造就兼具卓越读取性能和可扩展性的高容量存储。这款硬盘还是业界首款配备 PCIe 4.0 控制器的 QLC NAND 固态硬盘。Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘上的 PCIe 接口具备多通道 I/O 功能，并提供高效的 NVM Express (NVMe) 协议支持，相比之下，基于串行 ATA (SATA) 的 QLC NAND 固态硬盘则可能会对吞吐量构成限制。因此，Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘更能满足现代工作负载的大量吞吐量要求。

得益于旨在加速读取性能的架构和功能改进，最新一代 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘的性能得到进一步提升。与前代产品相比，Solidigm D5-P5316 的随机读取性能实现至高可达 38% 的提升，顺序读取性能实现至高可达 2 倍的提升[13,14]。该驱动器还采用智能固件，带来与前代产品相比至高可达 47% 的延迟性能改善，QoS 高达 99.999%[15]。

与机械硬盘相比，QLC NAND 的性能优势更为显著。尽管机械硬盘具有明显的成本/容量优势，但它对存储数据的价值构成限制，因为这类驱动器速度较慢，无法为需要快速访问温暖数据的工作负载提供必要的支持。如表 3 所示，与普通企业级机械硬盘相比，最新一代 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘可提供至高可达 25 倍的顺序读取性能提升［5］。

表 3. Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘与两款常用机械硬盘的读取性能比较。

降低存储的 TCO

TCO 是一种了解如何根据系统的获取成本和运营费用进行购买决策的方法。由于业务目标和配置差异很大，因此普遍适用一切情况的 TCO 计算方法并不现实。但是，在领先的超大规模存储企业和创新公司中，要基于资本支出和运营费用 (OpEx) 得出可靠的 TCO 衡量标准，需要对这些因素进行调整和建模。其中一些因素得到的应用并不那么广泛，甚至不被理解。考虑到固态硬盘相对机械硬盘的固有优势——更具体来说，QLC 固态硬盘相对机械硬盘和 TLC 固态硬盘的固有优势，如果企业要在数据经济中实现存储现代化，就一定要理解这些因素的意义。

资本支出以有效容量为起点。有效容量通过 TB effective (TBe) 衡量，是指在将复制、容量利用率和数据减少方法纳入考量后的实际可用存储空间。有效容量对 TCO 的影响很大，这是由于为提供冗余和满足性能要求而购买的原始存储总成本很高，会造成倍增效应。在描述每 TB 存储的成本时，存储解决方案提供商宣传的通常是有效容量。

运营支出 (OpEx) 则着眼于电力、冷却和驱动器故障产生的成本。行业领导者对资本支出与运营支出进行加总，才能得出每个机架的每 TBe 总成本。

QLC NAND SSD 相对机械硬盘的成本节省

 

众所周知，固态硬盘的性能明显优于机械硬盘。几乎同样为人所熟知的还有固态硬盘的可靠性优势。得益于这些固有优势，固态硬盘不需要为了性能而进行复制，而且它们为了可靠性而进行的复制通常更少。

由于固态硬盘具有更高的性能，它的数据缩减方法也比机械硬盘更有效。数据缩减是指存储的主机数据与所需物理存储的比率；50% 的比率将相当于 2:1 的数据缩减比率。数据缩减让用户可以存储比物理硬件容量更多的数据，因此提高了有效容量。压缩和去重技术可以大大减少满足“可用容量”要求所需的原始存储容量。

现代算法针对固态硬盘进行了优化，利用其性能实现高数据缩减率 (DRR)，同时提供高应用程序性能。例如，

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开发的 Zstandard 压缩算法

可以实现比普通硬盘的读/写速度快得多的压缩和解压缩速度，使用固态硬盘，就可以实时使用这一算法。另一个例子是 VMware vSAN，它只在全闪存配置中提供压缩和去重。

QLC NAND SSD 相对 TLC NAND SSD 的成本节省

用 QLC NAND SSD 替换 TLC NAND SSD 部署产生的成本节省虽然没有替换机械硬盘那么大，但依然可观。节省主要体现在资本支出上，因为主要因素是 QLC NAND 固有的存储密度优势，以及相对 TLC NAND 的每 TB 成本节省。由于 QLC NAND 的读取性能与 TLC 相当，应可为读取密集型工作负载提供了 TCO 节省机会。

存储的性质不断进化

企业正在重新思考他们处理数据的方法。从历史上看，机械硬盘为大量冷数据的存储提供了一种经济高效的方式。但随着企业转向 AI、分析和大数据等现代应用，他们面临着一个新的现实：需要快速访问大量且不断增长的数据。

与此同时，随着固态硬盘创新的不断加速，机械硬盘创新正在减速。据 Wikibvon 分析师称，机械硬盘的生产和使用正在下降，“……到本十年末，机械硬盘的产量将以 10 的倍数持续快速下降。”16

随着企业努力以更快的速度提供更多产品和服务，对可靠且快速地访问大量数据的需求也在不断增长。组织不能依靠陈旧的技术来支持现代应用程序。Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘建立在创新的一代又一代改进的基础上，以填补速度较慢、效率较低的机械硬盘和成本较高的 TLC 固态硬盘之间的容量、性能和 TCO 差距。

事实上，许多行业领导者——包括超大规模云服务提供商 (CSP)、存储解决方案提供商、创新型初创企业等——已经转向 QLC NAND 技术。

使用 Solidigm QLC 3D NAND SSD 从您的数据中提取更多价值

如果您的业务依赖于可靠、快速读取和访问温暖数据，那么 Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘可以填补缓慢、低效的机械硬盘和昂贵的TLC NAND 固态硬盘之间的空白。Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘基于成熟技术，将高密度存储与卓越的低延迟读取性能结合在一起，为 ML、AI、CDN、分析和大数据等现代业务关键型工作负载提供支持。此外，Solidigm QLC 3D NAND 固态硬盘还可通过整合数据中心的存储空间来助力企业降低 TCO。

Solidigm 在存储领域拥有强大的技术专业性和行业领导地位。通过在成熟技术上继续构建，Solidigm 已经能够提供创新的改进，满足对于快速访问更多数据的不断增长的需求。

浮栅 NAND 技术提供了强大的电压阈值窗口和单元隔离，使其能够自信地扩展到更高的每单元位数。凭借第三代 QLC NAND 技术，Solidigm 将垂直浮栅设计扩展到 144 层 QLC 3D NAND，提供业界领先的密度，质量和可靠性水平，与 TLC SSD 相当，且远远超越了速度较慢的传统机械硬盘[17]。

• 随机读取性能提升至高可达 38%[13]
  

• 顺序读取性能提升至高可达 2 倍[14]
• 至高可达 48% 的延迟改善 [15]

进一步了解 QLC SSD

关于 Solidigm 3D NAND SSD

Solidigm D5-P5316 产品信息

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