企業級SSD性能和功耗模型

1.數據中心：綠色能源和低碳排放

談到數據中心對企業級SSD的需求，一般會講到高性能、穩定、可靠、數據安全及其他等需求，但SSD能耗比（性能/功耗）在數據中心越來越受到用戶的關注。這如同不斷升級的手機芯片，提供更高的能耗比，給手機用戶帶來更高的性能和更好的續航體驗。

2020年10月，國家提出“雙碳”戰略，碳中和和碳達峰被寫入政府工作報告。對于數據中心來說，它既是數字經濟的底座，也是耗能大戶。為了響應國家“雙碳”戰略，未來新建的數據中心有著統一的綠色能源和低碳排放要求，低碳和可持續發展成為未來建設數據中心新的重要參考指標。

其中，存儲是數據中心的重要部件之一，以一臺12盤位SSD的服務器為例，典型負載下，其功耗占比服務器整機大約30%左右，是耗能大戶。在滿足數據中心性能需求的條件下，降低SSD工作功耗，節省電費，進而幫助降低數據中心的OPEX（運營成本），同時助力提升數據中心綠色能源和低碳排放的指標，什么樣的SSD產品可以給出解決之道？

2.企業級SSD性能和功耗模型

按SSD功耗設計標準，工作狀態下的企業級SSD通常有功耗上限，參考下表，像U.2 form factor的25W，E1.L 2T的40W及E3.L 2T更高的70W。目前在數據中心及企業級應用中，主流U.2 SSD普遍采用25W以下的工作功耗，但讓企業級U2 SSD在接近25W的功耗下運行是非常粗糙且不經濟的做法，因此更低功耗和更高性能的SSD普遍更受到歡迎。

不同企業級Form factor SSD功耗上限

技術層面，在談到如何設計更高的能耗比企業級SSD之前，先看下企業級SSD的性能和功耗模型：

2.1SSD性能與功耗的關系

SSD性能和功耗基本上是線性的對應關系，同一款SSD，更高的讀寫性能需要消耗更高的功耗。

PCIe 4.0企業級SSD性能和功耗示意圖

如圖，更大的功耗會帶來更高的性能，同時不同廠商的SSD在達到同樣的性能下所消耗的功耗不盡相同。這跟不同廠商的SSD使用不同的主控、不同的NAND等不同的硬件部件設計有關。具體來講，在連續寫（Seq 128K block size）高壓負載條件下，不同SSD的主控展現出不同的峰值功耗，其次NAND總功耗也不盡相同。

面對數據中心級市場，英韌科技于2022年推出了洞庭N1企業級SSD，是一款高性能低功耗PCIe 4.0 SSD產品，在連續寫高壓負載條件下SSD峰值總功耗僅為12W，究其原因，這跟英韌洞庭N1采用了自家企業級主控IG5636以及與NAND有關的設計方案有關。

2.2SSD單盤功耗分解

硬件上，SSD由主控、NAND、DRAM、PMIC及其他Passive器件組成，SSD在讀寫操作時，這些器件分擔了SSD的功耗，分別消耗不同比例的功耗或電能，參考如下：

某款SSD單盤功耗分解（按部件）

由上表可以看出，在不同IO負載下，主控、NAND和DRAM成為了企業級SSD中的耗能三大金剛，合計功耗占比最高可達90%以上。其中主控功耗占比約20~50%，成為了功耗組件中的“狀元”或“榜眼”，于是優化主控功耗設計及調整與主控有關的功耗方案設計，成為大幅降低SSD整盤工作功耗的可行方案之一。

洞庭N1企業級SSD使用英韌科技12納米PCIe 4.0企業級SSD主控芯片RainierDC IG5636，主控于2020年量產，并于同年獲得第十五屆“中國芯”優秀技術創新產品獎。IG5636是國內第一顆企業級PCIe 4.0 SSD控制器，前端支持4通道PCIe 4.0接口，后端支持8通道NAND閃存接口，并最早被國內各大互聯網客戶采用和部署于數據中心中。其卓越的主控設計，可確保單主控峰值功耗僅為3W，約為知名大廠的同類型企業級主控功耗的1/2，在主控層面大大降低了企業級SSD的工作功耗，總功耗上自然領先友商一步。而IG5636如何做到3W的峰值功耗呢？

優化的功耗架構設計：針對企業級SSD主控設計難點之一的數據可靠性及完整性，英韌科技憑借容錯率領先的糾錯碼技術，延長NAND閃存的壽命，降低系統的數據延遲，使4KB隨機數據讀性能可以提高2-3倍。同時，主控解碼器可配置低功耗模式，并根據數據本身的錯誤bit數量自動切換至糾錯能力更強的高性能模式，在更少的耗能下提高了產品的生命周期和數據保持時間。

增強的硬件IO加速處理可在同性能目標的前提下最大化降低讀寫功耗。

控制器后端NAND 8通道設計（vs. 傳統企業級主控NAND 16通道），相比于16通道主控，后端8通道的控制器可以降低控制器本身大約30%左右的工作功耗，詳細參見下節介紹。

英韌科技IG5636主控參數

2.3SSD后端NAND 8通道 vs 16通道

PCIe 4.0x4和PCIe 5.0x4SSD前端最大帶寬分別是8GB/s及16GB/s，設計者為了使SSD達到最高性能，須根據當前NAND提供的IO速度，來綜合考慮其后端采用的NAND通道數。如下圖，SSD后端NAND 16通道下，為了達到PCIe 4.0x4 SSD最高的8GB/s性能，最低NAND IO速度為600MT/s；為了達到PCIe 5.0x4 SSD最高的16GB/s性能，最低NAND IO速度為1200MT/s。如果SSD后端NAND通道數減少為8，為了達到PCIe 4.0x4 SSD最高的8GB/s性能，最低NAND IO速度為1200MT/s；為了達到PCIe 5.0x4 SSD最高的16GB/s性能，最低NAND IO速度為2400MT/s。

NAND通道和IO速度對應圖

傳統的企業級SSD后端NAND通道為16通道，這可靈活適配和采用更多的低速NAND，來滿足企業級SSD前端最高性能的需要。

今天，NAND IO速度一路向前，從666MT/s、800MT/s……到最新的ONFI 5.0 2400MT/s，NAND IO在提速，給了SSD后端NAND 8通道條件下就可以滿足PCIe 4.0x4 8GB/s甚至PCIe 5.0x4 16GB/s SSD性能的機會。滿足最大性能的同時，相比于16通道，后端8通道的控制器可以降低控制器本身大約30%左右的工作功耗；同時，SSD在讀寫操作時，8通道NAND讀寫并發數是16通道的二分之一，這二者大大的減少SSD在相應負載下的整盤工作功耗。簡言之，基于后端NAND少一半通道數設計的企業級SSD，可以提供給客戶相同的性能，但更低的功耗。

洞庭N1企業級SSD后端NAND采用 8通道設計，如前所述，只要NAND IO速度合適，NAND 8通道可以提供同NAND 16通道的PCIe 4.0 SSD相似的性能，但帶來更低的功耗表現。

3.英韌科技洞庭(Dongting) N1SSD能耗分析

3.1洞庭N1 SSD基本參數

3.2 洞庭N1 SSD能耗展現

以洞庭N1 7.68T SSD為例，在高壓力順序寫負載下，洞庭N1輸出4.8GB/s順序寫性能，功耗僅為12W，每瓦輸出寫性能為400MB/s；相比同類型SSD，4GB/s順序寫性能，近13W的功耗，每瓦輸出寫性能僅為314MB/s, 洞庭N1能耗比是其1.27倍; 而在高壓力順序讀負載下，洞庭N1輸出6.7GB/s順序讀性能，功耗低至6.23W，每瓦輸出讀性能為1075MB/s，相比同類型SSD，6.56GB/s順序讀性能，功耗9.63W，每瓦輸出讀性能僅為682MB/s, 洞庭N1能耗比是其1.58倍。參考數據如下表：

洞庭N1 SSD vs 同類型SSD能耗比

洞庭N1 SSD高能耗比特性在服務器和系統端的實際表現如何呢？

以一臺典型的存儲服務器配置12盤NVMe 3.84T SSD為例，隨著IO負載增加，服務器功耗（除硬盤外）從200W增至400W。

無負載情況下，使用某國際廠商SSD產品，SSD總功耗62.4瓦，SSD功耗占整機功耗23.1%，使用英韌科技洞庭N1 NVMe SSD總功耗32.4瓦，SSD功耗占整機功耗13.50%，整機功耗降低30瓦，節能11.11%。在典型負載順序讀負載下，使用某國際廠商SSD產品，SSD總功耗131.64瓦，SSD功耗占整機功耗25.12%，使用英韌科技洞庭N1 NVMe SSD總功耗75.52瓦，SSD功耗占整機功耗16.14%，整機功耗降低56.12瓦，節能約10.71%。

洞庭N1 SSD整機功耗測試結果

總結：對比同類SSD，洞庭N1從SSD部件端給服務器在不同IO負載下分別節省了5%~11%的電能，相信在國內市場中，這樣的能耗比優勢也具備強競爭力。而從數據中心來看，這將會極大降低OPEX（運營成本），是一款不折不扣的高能低耗的企業級SSD產品。

4.英韌科技及其國產化企業級SSD產品系列

英韌科技成立于2017年，五年多來始終專注存儲領域，截至目前已量產了7顆主控芯片，據稱其PCIe 5.0主控也即將量產，或將成為大陸控制器廠商中第一家量產自研PCIe 5.0控制器的公司。目前，業界不少主控廠商陸續進入SSD研發的領域。主控芯片對固態硬盤的性能、使用壽命及可靠性有重要影響，掌握SSD硬盤的核心技術也是主控廠商入局的優勢之一，英韌科技就是此類廠家。

在充分發揮自有主控技術優勢的同時，英韌利用其差異化、定制化的特點，為多家大型互聯網企業、云廠商提供包括QLC閃存顆粒適配、ZNS(Zoned Namespace，分區命名空間)技術應用、CDN性能保障在內的多種高端企業級SSD及專用化SSD定制方案。

英韌科技的PCIe 4.0企業級固態硬盤包括標準NVMe SSD洞庭(Dongting)系列和云存儲專用的ZNS SSD東湖(Donghu)系列，均采用英韌科技自研主控芯片IG5636，最高支持16 TB存儲容量，支持PCIe 4.0x4接口和NVMe 1.4標準，各項性能指標比肩國際品牌，已被多家互聯網頭部及行業企業采用。

其中，NVMe SSD洞庭(Dongting)系列主要適用于各類數據中心業務對存儲設備日新月異的加速需求，快速TRIM算法有效降低運行時后臺負載，降低寫放大，降低延遲和提升壽命，提供出眾而穩定的性能，端到端的數據保護，完善的企業級特性，可以滿足云服務、數據中心各類應用的存儲加速需求。

今年，企業級PCIe 5.0 SSD時代已來，英韌科技布局未來，于2022年發布了針對數據中心應用的PCIe 5.0 SSD主控芯片Tacoma（IG5669），其順序讀取可達14GB/s，順序寫入可達12GB/s。

Tacoma（IG5669）采用多核RISC-V架構和全新LDPC糾錯碼?；趯π乱淮_源CPU架構和各類開源軟件工具的充分挖掘，Tacoma（IG5669）在實現高性能的同時，也保障了IP供應的安全；對于閃存顆粒壽命有限的問題，英韌科技自研的第三代ECC糾錯引擎把出錯率降低了兩個數量級以上，而且對于內存空間有充足的ECC保護，全方位提升了產品的可靠性和安全性。

5. 總結

最后，在未來數據中心響應綠色能源和國家“雙碳”戰略背景下，作為存儲部件，洞庭N1企業級SSD 憑借后端NAND 8通道設計和極致優化的主控功耗設計方案，打造出了高性能低功耗國產企業級SSD標桿產品，給出了企業級SSD高性能低功耗解決之道，將受到越來越多數據中心用戶的歡迎和采用。