企业级SSD性能和功耗模型

1. 数据中心：绿色能源和低碳排放

谈到数据中心对企业级SSD的需求，一般会讲到高性能、稳定、可靠、数据安全及其他等需求，但SSD能耗比（性能/功耗）在数据中心越来越受到用户的关注。这如同不断升级的手机芯片，提供更高的能耗比，给手机用户带来更高的性能和更好的续航体验。

2020年10月，国家提出“双碳”战略，碳中和和碳达峰被写入政府工作报告。对于数据中心来说，它既是数字经济的底座，也是耗能大户。为了响应国家“双碳”战略，未来新建的数据中心有着统一的绿色能源和低碳排放要求，低碳和可持续发展成为未来建设数据中心新的重要参考指标。

其中，存储是数据中心的重要部件之一，以一台12盘位SSD的服务器为例，典型负载下，其功耗占比服务器整机大约30%左右，是耗能大户。在满足数据中心性能需求的条件下，降低SSD工作功耗，节省电费，进而帮助降低数据中心的OPEX（运营成本），同时助力提升数据中心绿色能源和低碳排放的指标，什么样的SSD产品可以给出解决之道？

2. 企业级SSD性能和功耗模型

按SSD功耗设计标准，工作状态下的企业级SSD通常有功耗上限，参考下表，像U.2 form factor的25W，E1.L 2T的40W及E3.L 2T更高的70W。目前在数据中心及企业级应用中，主流U.2 SSD普遍采用25W以下的工作功耗，但让企业级U2 SSD在接近25W的功耗下运行是非常粗糙且不经济的做法，因此更低功耗和更高性能的SSD普遍更受到欢迎。

不同企业级Form factor SSD功耗上限

SSD尺寸	宽度/ mm	长度/ mm	厚度/ mm	PCIe通道数	功耗/ W
U.2	70	100	7/15	2/4	25
E1.L	38.4	318.75	9.5	4/8	25
E1.L 2T	38.4	318.75	18	4/8	40
E3.S	76	112.75	7.5	4/8/16	25
E3.S 2T	76	112.75	16.8	4/8/16	40
E3.L	76	142.2	7.5	4/8/16	40
E3.L 2T	76	142.2	16.8	4/8/16	70

技术层面，在谈到如何设计更高的能耗比企业级SSD之前，先看下企业级SSD的性能和功耗模型：

2.1 SSD性能与功耗的关系

SSD性能和功耗基本上是线性的对应关系，同一款SSD，更高的读写性能需要消耗更高的功耗。

PCIe 4.0企业级SSD性能和功耗示意图

如图，更大的功耗会带来更高的性能，同时不同厂商的SSD在达到同样的性能下所消耗的功耗不尽相同。这跟不同厂商的SSD使用不同的主控、不同的NAND等不同的硬件部件设计有关。具体来讲，在连续写（Seq 128K block size）高压负载条件下，不同SSD的主控展现出不同的峰值功耗，其次NAND总功耗也不尽相同。

面对数据中心级市场，英韧科技于2022年推出了洞庭N1企业级SSD，是一款高性能低功耗PCIe 4.0 SSD产品，在连续写高压负载条件下SSD峰值总功耗仅为12W，究其原因，这跟英韧洞庭N1采用了自家企业级主控IG5636以及与NAND有关的设计方案有关。

2.2 SSD单盘功耗分解

硬件上，SSD由主控、NAND、DRAM、PMIC及其他Passive器件组成，SSD在读写操作时，这些器件分担了SSD的功耗，分别消耗不同比例的功耗或电能，参考如下：

某款SSD单盘功耗分解（按部件）

	4TB SSD	主控	NAND	DRAM	其他
Idle	无负载	52%	1%	24%	23%
SR	典型负载	41%	42%	3%	14%
SW	重负载	21%	62%	8%	9%

由上表可以看出，在不同IO负载下，主控、NAND和DRAM成为了企业级SSD中的耗能三大金刚，合计功耗占比最高可达90%以上。其中主控功耗占比约20~50%，成为了功耗组件中的“状元”或“榜眼”，于是优化主控功耗设计及调整与主控有关的功耗方案设计，成为大幅降低SSD整盘工作功耗的可行方案之一。

洞庭N1企业级SSD使用英韧科技12纳米PCIe 4.0企业级SSD主控芯片RainierDC IG5636，主控于2020年量产，并于同年获得第十五届“中国芯”优秀技术创新产品奖。IG5636是国内第一颗企业级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闪存接口，并最早被国内各大互联网客户采用和部署于数据中心中。其卓越的主控设计，可确保单主控峰值功耗仅为3W，约为知名大厂的同类型企业级主控功耗的1/2，在主控层面大大降低了企业级SSD的工作功耗，总功耗上自然领先友商一步。而IG5636如何做到3W的峰值功耗呢？

优化的功耗架构设计：针对企业级SSD主控设计难点之一的数据可靠性及完整性，英韧科技凭借容错率领先的纠错码技术，延长NAND闪存的寿命，降低系统的数据延迟，使4KB随机数据读性能可以提高2-3倍。同时，主控解码器可配置低功耗模式，并根据数据本身的错误bit数量自动切换至纠错能力更强的高性能模式，在更少的耗能下提高了产品的生命周期和数据保持时间。

增强的硬件IO加速处理可在同性能目标的前提下最大化降低读写功耗。

控制器后端NAND 8通道设计（vs. 传统企业级主控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约30%左右的工作功耗，详细参见下节介绍。

英韧科技IG5636主控参数

	英韧科技IG5636
接口	PCIe 4.0x4
容量	最高16TB
DRAM	支持DDR3L/4,  LPDDR3/4
NAND	8通道，1200MT/s，ONFI 4.1或 Toggle 2.0/3.0/4.0接口
加密和数据保护	AES、国密标准SM2/3/4、SHA、RSA、ECC、CRC和端到端数据保护在内的多种数据加密和保护机制
峰值功耗	3W
PS4	<2mW

2.3 SSD后端NAND 8通道 vs 16通道

PCIe 4.0x4和PCIe 5.0x4SSD前端最大带宽分别是8GB/s及16GB/s，设计者为了使SSD达到最高性能，须根据当前NAND提供的IO速度，来综合考虑其后端采用的NAND通道数。如下图，SSD后端NAND 16通道下，为了达到PCIe 4.0x4 SSD最高的8GB/s性能，最低NAND IO速度为600MT/s；为了达到PCIe 5.0x4 SSD最高的16GB/s性能，最低NAND IO速度为1200MT/s。如果SSD后端NAND通道数减少为8，为了达到PCIe 4.0x4 SSD最高的8GB/s性能，最低NAND IO速度为1200MT/s；为了达到PCIe 5.0x4 SSD最高的16GB/s性能，最低NAND IO速度为2400MT/s。

NAND通道和IO速度对应图

传统的企业级SSD后端NAND通道为16通道，这可灵活适配和采用更多的低速NAND，来满足企业级SSD前端最高性能的需要。

今天，NAND IO速度一路向前，从666MT/s、800MT/s……到最新的ONFI 5.0 2400MT/s，NAND IO在提速，给了SSD后端NAND 8通道条件下就可以满足PCIe 4.0x4 8GB/s甚至PCIe 5.0x4 16GB/s SSD性能的机会。满足最大性能的同时，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约30%左右的工作功耗；同时，SSD在读写操作时，8通道NAND读写并发数是16通道的二分之一，这二者大大的减少SSD在相应负载下的整盘工作功耗。简言之，基于后端NAND少一半通道数设计的企业级SSD，可以提供给客户相同的性能，但更低的功耗。

洞庭N1企业级SSD后端NAND采用 8通道设计，如前所述，只要NAND IO速度合适，NAND 8通道可以提供同NAND 16通道的PCIe 4.0 SSD相似的性能，但带来更低的功耗表现。

3. 英韧科技洞庭(Dongting) N1SSD能耗分析

3.1  洞庭N1 SSD基本参数

3.2  洞庭N1 SSD能耗展现

以洞庭N1 7.68T SSD为例，在高压力顺序写负载下，洞庭N1输出4.8GB/s顺序写性能，功耗仅为12W，每瓦输出写性能为400MB/s；相比同类型SSD，4GB/s顺序写性能，近13W的功耗，每瓦输出写性能仅为314MB/s, 洞庭N1能耗比是其1.27倍; 而在高压力顺序读负载下，洞庭N1输出6.7GB/s顺序读性能，功耗低至6.23W，每瓦输出读性能为1075MB/s，相比同类型SSD，6.56GB/s顺序读性能，功耗9.63W，每瓦输出读性能仅为682MB/s, 洞庭N1能耗比是其1.58倍。参考数据如下表：

洞庭N1 SSD vs 同类型SSD能耗比

洞庭N1 SSD高能耗比特性在服务器和系统端的实际表现如何呢？

以一台典型的存储服务器配置12盘NVMe 3.84T SSD为例，随着IO负载增加，服务器功耗（除硬盘外）从200W增至400W。

无负载情况下，使用某国际厂商SSD产品，SSD总功耗62.4瓦，SSD功耗占整机功耗23.1%，使用英韧科技洞庭N1 NVMe SSD总功耗32.4瓦，SSD功耗占整机功耗13.50%，整机功耗降低30瓦，节能11.11%。在典型负载顺序读负载下，使用某国际厂商SSD产品，SSD总功耗131.64瓦，SSD功耗占整机功耗25.12%，使用英韧科技洞庭N1 NVMe SSD总功耗75.52瓦，SSD功耗占整机功耗16.14%，整机功耗降低56.12瓦，节能约10.71%。

洞庭N1 SSD整机功耗测试结果

总结：对比同类SSD，洞庭N1从SSD部件端给服务器在不同IO负载下分别节省了5%~11%的电能，相信在国内市场中，这样的能耗比优势也具备强竞争力。而从数据中心来看，这将会极大降低OPEX（运营成本），是一款不折不扣的高能低耗的企业级SSD产品。

4.  英韧科技及其国产化企业级SSD产品系列

英韧科技成立于2017年，五年多来始终专注存储领域，截至目前已量产了7颗主控芯片，据称其PCIe 5.0主控也即将量产，或将成为大陆控制器厂商中第一家量产自研PCIe 5.0控制器的公司。目前，业界不少主控厂商陆续进入SSD研发的领域。主控芯片对固态硬盘的性能、使用寿命及可靠性有重要影响，掌握SSD硬盘的核心技术也是主控厂商入局的优势之一，英韧科技就是此类厂家。

在充分发挥自有主控技术优势的同时，英韧利用其差异化、定制化的特点，为多家大型互联网企业、云厂商提供包括QLC闪存颗粒适配、ZNS(Zoned Namespace，分区命名空间)技术应用、CDN性能保障在内的多种高端企业级SSD及专用化SSD定制方案。

英韧科技的PCIe 4.0企业级固态硬盘包括标准NVMe SSD洞庭(Dongting)系列和云存储专用的ZNS SSD东湖(Donghu)系列，均采用英韧科技自研主控芯片IG5636，最高支持16 TB存储容量，支持PCIe 4.0x4接口和NVMe 1.4标准，各项性能指标比肩国际品牌，已被多家互联网头部及行业企业采用。

其中，NVMe SSD洞庭(Dongting)系列主要适用于各类数据中心业务对存储设备日新月异的加速需求，快速TRIM算法有效降低运行时后台负载，降低写放大，降低延迟和提升寿命，提供出众而稳定的性能，端到端的数据保护，完善的企业级特性，可以满足云服务、数据中心各类应用的存储加速需求。

今年，企业级PCIe 5.0 SSD时代已来，英韧科技布局未来，于2022年发布了针对数据中心应用的PCIe 5.0 SSD主控芯片Tacoma（IG5669），其顺序读取可达14GB/s，顺序写入可达12GB/s。

Tacoma（IG5669）采用多核RISC-V架构和全新LDPC纠错码。基于对新一代开源CPU架构和各类开源软件工具的充分挖掘，Tacoma（IG5669）在实现高性能的同时，也保障了IP供应的安全；对于闪存颗粒寿命有限的问题，英韧科技自研的第三代ECC纠错引擎把出错率降低了两个数量级以上，而且对于内存空间有充足的ECC保护，全方位提升了产品的可靠性和安全性。

5. 总结

最后，在未来数据中心响应绿色能源和国家“双碳”战略背景下，作为存储部件，洞庭N1企业级SSD 凭借后端NAND 8通道设计和极致优化的主控功耗设计方案，打造出了高性能低功耗国产企业级SSD标杆产品，给出了企业级SSD高性能低功耗解决之道，将受到越来越多数据中心用户的欢迎和采用。

　　审核编辑：汤梓红