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三星在ISSCC大会上公布了“Z-SSD”控制器技术和独家NAND闪存技术 ...

2018-3-5 19:04 134 0
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摘要: 三星电子是全球最大的NAND闪存供应商和最大的SSD供应商之一,它展示了一些高速SSD技术“Z-SSD”和独家NAND闪存技术“Z-NAND”技术。 今年二月举行的国际学会“ISSCC”,这是在美国旧金山举行(二月2018),日前公布 ...

三星电子是全球最大的NAND闪存供应商和最大的SSD供应商之一,它展示了一些高速SSD技术“Z-SSD”和独家NAND闪存技术“Z-NAND”技术。

 今年二月举行的国际学会“ISSCC”,这是在美国旧金山举行(二月2018),日前公布了“Z-SSD”为控制器技术和“Z-NAND”的技术(演讲序号20.2)的概述。


隐藏“Z-SSD”和“Z-NAND”的身份

 “Z-SSD”技术和“Z-NAND”的技术,闪存行业三星事件“FMS(闪存峰会)”中首次公布(2016年八月对英特尔美光联盟的3D XPOINT内存看三星的“Z-NAND”技术)。


 与配备有NAND闪存的普通SSD相比,Z-SSD的特征在于访问的延迟时间(延迟)较短。尽管FMS通过比较性能强调了Z-SSD的优势,但没有阐明存储容量,定量性能规格,实现技术等。


 之后,三星在2016年9月在韩国首尔举办的SSD活动“三星SSD全球峰会2016”上展出了Z-SSD原型,并展示了假设产品的性能规格。石井的事件报告(根据参考文献:三星表现出下一代SSD计数器-3D XPOINT的“Z-SSD”),将Z-SSD的存储容量是1TB(用户区是800GB)时,类型名称是“SZ985”,专用吞吐量控制器代码名称为“凤凰”,顺序存取,最大3.2GB / s的读取和写入,4KB的单位随机读取性能最大为750,000IOPS,4KB的单位随机写入性能为最大160,000IOPS。


 此外,三星还在2017年6月在日本东京举办的SSD活动“2017三星固态硬盘论坛日本”上举办了类似的展会(请参阅三星,NAND和SSD趋势以及公司利用示例 )。


 于是,8月份举行的2017年三星甚至是“FMS 2017年”的活动,Z-SSD的4KB单位随机读取延迟时间(潜伏期)是有可能的,时间很短为15μs,第二代,其降低成本的(SZ985)我们宣布在主题演讲中正在开发Z-NAND技术。

Z-NAND技术与V-NAND技术(三星的3D NAND闪存技术)的性能比较。三星在FMS 2017的主题演讲中表示,Z-NAND表示读取延迟时间比V-NAND短15倍

Z-NAND技术与V-NAND技术的比较(三星的3D NAND闪存技术)(续)。纵轴表示读取延迟时间,横轴表示成本。与第一代Z-NAND技术(第一代Z-NAND)相比,第二代Z-NAND技术(第二代Z-NAND)的成本正在下降。*与上述相同



Z-NAND技术比较SSD(Z-SSD)和TLC型NAND闪存技术的SSD读取延迟时间(延迟)。让Z-SSD实现15μs或更短的延迟。※与上述相同,普通SSD的5.5倍变得更短


Z-SSD的容量为800 GB和240 GB,写入的长期可靠性很高


 而在今年1月30日(2018年),三星正式宣布 Z-SSD的商业化。型号名称为“SZ 985”,与过去公布的名称相同。外形尺寸为HHHL(半高半长),输入/输出接口(IO)为单个PCIe 3.0物理IO,逻辑IO为NVMe 1.2版。


 两种类型的存储容量:800 GB和240 GB。这是针对企业的。800 GB产品的随机读取延迟时间为16μs,随机读取性能为750,000 IOPS,随机写入性能为170,000 IOPS。


 值得注意的是长期写作的长期可靠性,保证5年的使用寿命,每天可满容量写作30次(30 DWPS)。平均无故障时间(MTBF)为200万小时。


 三星预测Z-SSD及其相关技术的新闻稿在国际会议“ISSCC”上已经公布。在2018年2月12日至14日举行的ISSCC上,三星通过演讲向客户介绍了Z-SSD的控制器技术,并在酒店的一个小型展会上展示了Z-SSD。

Z-SSD产品“SZ985”的主要规格*来自三星发布的同一产品的目录


从三星在ISSCC 2018的发言中可以看出Z-SSD的外观和轮廓显示它配备了1.5 GB的LPDDR 4 SDRAM作为缓冲区



在ISSCC 2018国际会议展览上展出的Z-SSD(右侧带有黄色便签)。这是一个示范演示,表明读出延迟时间比传统SSD短


“Z-NAND”技术具有极高的读取访问

 在ISSCC讲座中,三星展示了Z-SSD的核心技术Z-NAND技术的一部分。Z-NAND采用3D NAND闪存技术,每层硅片可实现64 Gbit的存储容量,48层堆叠。


 在3D NAND闪存技术和TLC与(3位/单元)模式相同的48层组合(现有技术)中,由于每个硅管芯上的实现存储容量256Gbit,据了解,在4分钟的Z-NAND技术的存储容量,它正在下降到1。


 在Z-NAND技术中,访问存储单元阵列的速度很快。比较所述输入和输出缓冲器和所述存储器单元阵列(等待时间)之间的延迟时间,而在现有技术48层是在读操作期间为660μs和45μs,在写入操作期间,Z-NAND 48层相同的层中,等待时间读操作只有3μs和1/15,写操作时缩短到100μs和1/6或更小。

传统3D NAND闪存技术(三星开发的V-NAND技术)和Z-NAND技术的比较。Tr为读延迟(从存储单元阵列的时间以便传送到输出缓冲器的数据),TPROG为三星写入延迟释放(要被写入到存储器单元阵列的数据输入缓冲时间)


 从这些事实来看,几乎可以肯定的是,过去从外部指出的Z-NAND技术是V-NAND技术的SLC(1位/单元)版本。但请注意,三星并未正式声明V-NAND技术是SLC技术(避免明确提及)。


 这里出现的一个简单问题就是为什么Z-NAND的存储容量原则上是V-NAND容量的三分之一,但实际容量仍然是四分之一,甚至更小。


这种差异有几个原因。


 最简单的解释是,Z-NAND的存储单元阵列小于64Gbit的V-NAND,也就是说硅芯片很小。这种可能性仍然存在,因为三星并未公布芯片面积。


 但是,如果整个硅片被重新设计和制造,则相当大的成本增加是不可避免的。此外,如果物理阵列接近64 Gbit,则需要包含纠错(ECC)功能。由于ECC破坏速度,所以这不是一个很好的技术。


 另一种解释是,存储单元阵列的设计是共享的,但外围电路正在改变设计。


 Z-NAND的另一个特点是页面尺寸小至1/4(4 KB)或1/8(2 KB)。除非外围电路改变,否则这是不可能实现的。虽然它实际承载的容量相当于256 Gbit三分之一的容量,但其中只有64 Gbit实际使用。


 如果仅使用64 Gbit,则可以预期可以消除有缺陷的位和仅选择高性能位(特别是高性能页)的两种效应。由于没有必要加入ECC,所以还有一个优点是不会发生性能下降。笔者认为这种可能性很高。


将SSD的读取延迟时间缩短5倍

 在ISSCC的讲座中,三星将构成SSD读取延迟时间的元素分为六类,表明其中与NAND闪存有关的元素比例较大。


 这六个要素是直到主机发出命令并告诉控制器,控制器转换地址的时间,直到控制器发送命令到NAND闪存以读取存储器单元阵列的时间,命令并输出从NAND闪速存储器中的数据是,直到控制器接收到的时间来检查所接收的数据控制器已经接收的时间的存储单元阵列,所述控制器时间将数据传送到主机。


 在PM 963的情况下,主机和控制器交换数据所需的时间为8.5μs,处理控制器内部数据的时间为15μs,而控制器需要与NAND闪存交换数据时间长达53微秒。总读数延迟时间为76.5微秒,约占70%。


 NAND快闪存储器和将数据传送到所述控制器(tmedia)所需的时间,从所述存储单元阵列的页面数据(数据4 KB)时间在输出缓冲区和(TR),从输出缓冲器到所述控制器的数据读转移时间(tDMA)。在“PM 963”SSD的情况下,tR占据很大的比例,达到45μs。tDMA为8μs。


 在高速SSD技术的Z-SSD中,专用NAND闪存技术的Z-NAND将tR急剧缩短为3微秒。此外,通过缩短tDMA到4μs的一半,tMedia减少到7μs,小于1/7。具体而言,通过每个2 kB的2个通道并行读出4 kB读取,tDMA减少到一半。


 另外,通过缩短与主机的交互以及控制器内部的处理,总读取延迟时间缩短至约1/5,即15.9μs。

SSD中读取延迟时间(总读取延迟)的比较。以上是传统SSD产品“PM 963”的情况。以下是Z-SSD的情况*从幻灯片三星在国际学会ISSCC 2018发言

为Z-SSD开发的控制器硅芯片照片。制造过程是FinFET。我们不公开加工尺寸,硅片尺寸等



强调Z-SSD在基准测试中的优势

 此外,ISSCC演讲还强调了Z-SSD使用多个基准的优势。综合性能显示“PCMark 8”的存储相关结果。在企业应用程序中,“PostgreSQL的TPC-C”(数据库管理系统)为“RocksDB”(键值存储),高速缓存性能“Fatcache Twemperf”的实时分析“的PageRank”的表现,该数值的每个数据库性能并进行比较。

“PCMark 8”基准测试结果。离开了传统的SSD,该中心是利用相变存储器(PRAM)SSD(非卖品)的原型。

企业应用程序的性能基准测试显示,左上角是数据库管理系统(DBMS),右上角是关键值存储区,左下角是缓存区,右下角是实时分析。左边的固态硬盘是传统的固态硬盘,中间是使用相变存储器的固态硬盘,右边是与上述相同的Z-SSD 


Optane SSD和Z-SSD具有几乎相同的基本性能


 英特尔的高速SSD“Optane SSD”与三星开发的Z-SSD竞争。对于具有Z-SSD产品“SZ 985”的企业,比较Optane SSD产品“DC P4800X”,这是很清楚的。基本性能非常相似。

Optane SSD和Z-SSD的比较*根据作者总结的英特尔和三星的出版物资料


 当然还有细微的差别。Optane在阅读和写作之间没有性能差异,而Z-SSD的读写速度较快,写入速度稍慢。


 此外,Z-SSD 16微秒写入延迟的数值有点神秘。因为在ISSCC上三星解释说Z-NAND内的写入延迟为100μs。如果100μs不是错误,则Z - SSD 16μs的写入延迟显然是错误的。目前这个矛盾的原因是未知的。


 无论如何,除Optane之外的高速SSD产品已经出现是件好事。我想期待为消费者部署Z-SSD。


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