近年來，隨著NAND接口速率越來越高，如何保證信號高速傳輸下的完整性和傳輸速率成為NAND廠商要面對的首要問題。浪潮信息企業(yè)級SSD通過對端接和電路的技術(shù)創(chuàng)新，全面提升NAND信號質(zhì)量。此外，憑借主要部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，支持加密算法和標(biāo)準(zhǔn)日志接口，降低客戶TCO的同時(shí)提供高運(yùn)維效率等優(yōu)勢，助力企業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

PCIe接口與NAND閃存盤

外圍組件快速互聯(lián)(peripheral component interconnect express，簡稱PCIe或PCI-Express)，是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，使用PCIe接口與計(jì)算機(jī)連接的固態(tài)硬盤、顯卡、網(wǎng)卡等外設(shè)因其數(shù)據(jù)傳輸速度高、帶寬大的特點(diǎn)，從而具有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率。

通俗來講，就是在“主機(jī)”和“SSD盤”兩座城市間建立一條名為“PCIe”的高速公路，相比于普通公路，運(yùn)輸數(shù)據(jù)的車輛不僅可以跑得更快，能使用的車道也更多，自然每時(shí)每刻有更多的數(shù)據(jù)來往于兩座城市之間。近年來，PCIe技術(shù)已經(jīng)成熟，較之傳統(tǒng)硬盤的性能迎來新的飛躍，但同時(shí)也為攜帶數(shù)據(jù)“車輛”的可靠程度——NAND信號的傳輸質(zhì)量帶來更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

(資料圖片)

目前市場上主流SSD均采用四通道PCIe4.0傳輸，根據(jù)PCI標(biāo)準(zhǔn)組織——PCI特別興趣小組（PCI-Special Interest Group，簡稱PCI-SIG）給出的定義， PCIe4.0標(biāo)準(zhǔn)的單通道傳輸速度為每秒二十億字節(jié)（2GB/s），相當(dāng)于1秒鐘完成一部高清電影下載，即理論上四通道最高能夠?qū)崿F(xiàn)每秒八十億字節(jié)（8GB/S）的傳輸速度。

如今，SSD盤的容量已經(jīng)突破32TB（1TB=1000GB），更大容量的SSD盤將使用更多的NAND，這就意味著“PCIe高速路”上來自不同“NAND城市”的車輛越來越多，攜帶不同“牌號”的車輛越來越多地匯入同一條高速路。隨著傳輸數(shù)據(jù)的信號種類和頻率增加，如果不采取必要處理手段，信號質(zhì)量在多種高頻信號相互反射的影響下就會越差，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)傳輸速率，最終導(dǎo)致SSD盤無法完全發(fā)揮PCIe技術(shù)的速度優(yōu)勢。

那么“質(zhì)量好”的車應(yīng)具備哪些硬件和軟件方面的特點(diǎn)？

其一，車身堅(jiān)固——即高信號強(qiáng)度，在各種路況（電壓）、天氣（溫度）下正常行駛，支持高速度（頻率）行駛，在發(fā)生事故（信號反射）時(shí)仍能保證將乘客（數(shù)據(jù)）安全送達(dá)；

其二，速控靈敏——即信號波形穩(wěn)定無擾動，能夠在高速車道（高頻）和低速車道（低頻）靈活切換，同時(shí)在同一車道上車距（相位）保持有序，連續(xù)的信號波形無抖動和串?dāng)_。

如何提高NAND信號質(zhì)量？

由于NAND閃存顆粒（NAND Flash）接口速率越來越高，由每秒百萬比特發(fā)展到每秒十億比特，NAND廠商想出了各種辦法來解決高速信號帶來的信號完整性問題。例如改變NAND驅(qū)動與端接方式，以及在初始化時(shí)通過硬件手段對NAND某些電路引腳進(jìn)行特殊處理，即進(jìn)行ZQ校準(zhǔn)（ZQ Calibration）、DQ讀寫訓(xùn)練（Read DQ Training、Write DQ Training）和使能信號占空比訓(xùn)練（DCC Training）等。在SSD固件開發(fā)中，可以基于不同的需求充分利用這些特性，通過增加相應(yīng)功能來提高NAND信號質(zhì)量。

第一，改變NAND端接方式。

端接，即一種消除信號反射的方式。片內(nèi)端接（On Die Termination，簡稱ODT） 就是將端接電阻移植到了NAND內(nèi)部而非PCB。

目前常用的端接主要有Target ODT、Non Target ODT等方式，以下為不同拓?fù)浞绞綄Ρ龋?/p>

不同端接拓?fù)浞绞綄Ρ?/p>

簡單來說，端接處就像“PCIe”高速路的收費(fèi)站，Target ODT模式表示這唯一一條高速路通向多少個(gè)“NAND”城市，終點(diǎn)就有多少個(gè)收費(fèi)站。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要在終點(diǎn)建設(shè)對應(yīng)數(shù)量的匝道，每條匝道延伸到不同收費(fèi)站“target”。但隨著SSD盤容量的升級，終點(diǎn)處的城市數(shù)越來越多，如果還是按照Target ODT模式，終點(diǎn)處的匝道數(shù)也隨著“NAND”城市數(shù)增加。如果下高速前要從十幾個(gè)匝道中選擇一個(gè)正確的匝道駛離，對于司機(jī)來說即使是有導(dǎo)航也是一件困難的事，勢必會導(dǎo)致車輛下高速過程中發(fā)生混亂（信號擾動）。Non Target ODT模式是保持原有匝道數(shù)不變，規(guī)定一定數(shù)量的“NAND”城市為一組，共用一個(gè)匝道，即一個(gè)匝道的出口是兩個(gè)以上的“NAND”城市，通過投入一定預(yù)算（功耗），安排一批交警（命令）保證從同一匝道下高速的車輛正確前往對應(yīng)的“NAND”，來維持原有的匝道數(shù)，使行程終點(diǎn)的交通不至于因?yàn)椤癗AND”增加而混亂，既保證了高速信號在到達(dá)接收處降速時(shí)的信號質(zhì)量，也最大可能的維持了傳輸信號的高速率。

各種端接方式優(yōu)缺點(diǎn)：

Target ODT簡單易行，是最常用的方式，無額外性能損耗，適用于IO接口速率不是很高的情況，比如800MT/s；

Non Target ODT對信號反射的處理更好，使得Target Die上的信號質(zhì)量進(jìn)一步提升，IO可以跑到更高的速率，比如1.2GT/s，由于使用時(shí)需要額外的命令設(shè)置，對總線效率有一定影響，并且功耗會有所增加；

另外為了應(yīng)對更高的NAND IO接口頻率，比如2.4GT/s，或者更高，近年來增加IO Buffer Chip的方式也成為發(fā)展的一個(gè)趨勢，但此設(shè)計(jì)增加了SSD電路及Firmware設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，NAND成本和功耗也進(jìn)一步增加，添加Buffer有在外部總線添加和NAND內(nèi)置兩種：

第二，ZQ校準(zhǔn)（ZQ Calibration）。

為了在提高信號完整性的同時(shí)增強(qiáng)輸出信號的強(qiáng)度，NAND中引入了終端電阻和輸出驅(qū)動器，想要在溫度和電壓發(fā)生變化的場景下仍然能夠保持良好的信號質(zhì)量，就需要借助ZQ Calibration對這些終端電阻和輸出驅(qū)動器進(jìn)行校準(zhǔn)。通過一系列精密的電路設(shè)計(jì)，在SSD盤初始上電過程中調(diào)整終端電阻阻值到設(shè)計(jì)的精確值，以保證信號輸出所需的電壓、電流達(dá)到理想值，信號在生成之初就可具有較高質(zhì)量和抗干擾性。

ZQ Calibration在低速時(shí)是可選的，但當(dāng)NAND傳輸速度超過533MT/s時(shí)則必須開啟該功能（以某一款NAND舉例）。

第三，增加Training功能。

Training的過程，是為了找出在Controller和NAND間進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)的最優(yōu)信號的位置，而進(jìn)行的探索性調(diào)整相位的過程。一般NAND IO速率超過800MT/s就需要開啟該功能，通過NAND的Read、Write Training來優(yōu)化信號Window，使數(shù)據(jù)讀寫的建立、保持時(shí)間裕量更大，達(dá)到提升信號質(zhì)量的目的。

以浪潮信息企業(yè)級SSD在實(shí)際測試中通過改變NAND特性帶來的信號質(zhì)量提升為例：

左圖是使用Target ODT及未加Training時(shí)的仿真波形，可以看出信號質(zhì)量比較差，并且IO速率得到限制，只能跑到最佳性能所需速率值的三分之二（667MT/s），如果再提高頻率就會造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)；右圖是將端接改為Non Target ODT和增加Training后的波形，可以看出信號質(zhì)量明顯改善，并且IO頻率可以達(dá)到理想值1000MT/s，甚至更高，信號質(zhì)量得到顯著提高。

未經(jīng)處理的信號 優(yōu)化后的信號

由于IO頻率的提升，NAND到Controller DDR RAM之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間減小，就單個(gè)Data Frame而言，時(shí)間減小2.288us，減小了讀時(shí)延，提高了QoS指標(biāo)（Quality of Service 服務(wù)質(zhì)量）。

浪潮信息：持續(xù)升級企業(yè)級SSD

浪潮信息企業(yè)級SSD（型號NS6500G2），采用8 Channel SSD Controller(SHX1000)，通過以上措施提升NAND信號質(zhì)量，使得NAND IO頻率穩(wěn)定運(yùn)行在1.2GT/s，將PCIe4.0性能發(fā)揮到極致。除SSD Controller之外，NS6500G2在NAND顆粒和Firmware上實(shí)現(xiàn)全部技術(shù)創(chuàng)新，支持加密算法和標(biāo)準(zhǔn)日志接口，能提供高運(yùn)維效率，降低客戶TCO。多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新能夠更好地滿足客戶需求。

近年來，浪潮信息持續(xù)加大產(chǎn)品投入和創(chuàng)新，通過內(nèi)在技術(shù)打磨和外延銷售網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，不斷提升自身在各生態(tài)領(lǐng)域下的地位，以精益精造的理念，不懈追求更高速、更可靠的數(shù)據(jù)傳輸模式，充分發(fā)揮閃存高效、可靠、綠色的優(yōu)勢，以創(chuàng)新助推技術(shù)產(chǎn)品化，以合作謀求行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，全面釋放數(shù)據(jù)價(jià)值，推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展。