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      从消费级SSD(固态硬盘)进入普通人的视野以来,SandForce(已被LSI收购)的SF系列主控一度成了SSD主控的代名词,高中低端的SSD几乎都能见到SF主控的身影,即便是到现在SF-2281主控依然是大量SSD的第一选择。虽然SF-2000系列主控并不落伍,不过SandForce日前还是宣布了新一代主控——SF-3700系列,从2012年CES展会上首次透露下一代主控开始,现在终于能看到下一代SSD主控的身影了。

      SandForce此前的两代(消费级)SSD主控SF-1200和SF-2200系列实际上有很多相似之处,SF-2200主控的架构源于SF-1200,而SF3700系列相比前两代来说完全不同,它虽然继承了很多SF的技术,比如DuraWrite压缩算法、RAISE等等,但它是一种全新设计的架构,虽然这并不是我们第一次看到新架构主控,此前Intel在DC S3700企业级固态硬盘上就使用过面向下一代的主控架构设计了。

      现在SandForce已经被LSI收购,后者在企业级存储控制器市场上是一哥,因此SF-3700主控要有一定的前瞻性,要考虑适应近来出现的新技术。对于SF-3700新一代主控的详细设计和特点,Anandtech网站详细刊文做了分析。

      相比前代产品,SandForce的SF37000主控更加模块化,SoC处理器的前端、核心及后端都是模块化设计的,这样它支持3D NAND这样的新类型闪存会更加容易,支持新接口标准也一样更容易。目前正处于SATA接口和PCI-E接口的过渡期,展望PCI-E 2.0之后的接口标准,前端模块化设计可以方便地应对这个过程。

      后端部分,SF-3700主控有9个NAND通道,兼容Toggle及ONFi类型的NAND闪存。SandForce的主控在支持各种各样的闪存类型上一直做得很好,SF3700也不例外。厂商可以选择市面上的各种NAND闪存(包括TLC闪存),SandForce可以、而且会很快针对未来的NAND闪存类型提供支持。

      与之前的SF主控一样,SF3700也不需要外部DRAM缓存,NAND映射表及其他重要数据都是储存在SF3700主控的内部DRAM缓存中。

      任何一个现代的SSD主控都不可能绕过PCI-E接口支持,SF3700主控同样支持SATA 6Gbps及PCI-E 2.0 x4(注:没看到SATA Express,虽然标准早在今年就公布了)接口,而且是单芯片同时支持这两种接口。厂商可以在驱动层自行决定支持哪种接口,用户不能自己切换两种接口,不过厂商(drive maker)可以在SATA和PCI-E之间切换。

    SF3700主控家族成员


    SF3700主控家族成员

      目前规划中的SF3700主控成员有4个,从低到高分别是SF3719、SF3729、SF3739和SF3759,SF3719主打入门级PC,支持SATA 6Gbsp和PCI-E 2.0 x2接口,它跟SF3929的接口类型是一样的,不过SF3719的固件功能更少,这两个主控的建议SSD规格是M.2接口(NGFF接口)。

      从SF3739开始就不再支持SATA接口,全面转向PCI-E接口,主打发烧级及价值型企业级存储市场。他们支持完整的断电保护功能( power-loss protection),不过这个功能也是可以由OEM厂商决定支持与否的,目前SF-2200系列并不支持断电保护功能,因为这是企业级SSD主控才支持的功能。

      SF3759是唯一一个真正面向企业级存储的主控产品,具备一些企业级主控才有的功能。

    SF3700主控公版SSD


    使用SF3700主控的公版SSD

      距离SF3700主控SSD正式上市开卖还有几个月的时间,不过LSI提供了一些公版SF3700主控固态硬盘的性能数据,容量为256GB和512GB,结果如下:

      SATA 6Gbps接口的SSD中,连续读取速度为550MB/s,连续写入502MB/s,随机读取性能94K IOPS,随机写入46K IOPS,这个性能跟目前的SF-2281主控SSD相比并没有什么惊喜,看起来SATA 6Gbps接口真的要达到性能瓶颈了。

      PCI-E 2.0 x4接口SSD中,连续读写速度达到1.8GB/s,随机读写IOPS分别达到了150K、81K,这个性能就很强大了,PCI-E 2.0 x4的理论速度也不过2GB/s,SF3700主控已经实现了9成功力。

      在LSI自己的测试中,早期的固件已经可以实现1.45GB/s的速度了,功耗指标还没有最终定下来,不过LSI表示现在的功耗大约是4W,他们正在通过固件优化来降低功耗,待机功耗可能比SF-2200系列还要低,也会支持目前的DevSleep等节能技术。


    SF3700主控的延迟

      企业级存储关注的还有IO延迟,这也是SF3700主控优先考虑的地方。SF-2000主控在这一点上表现始终如一,现在很高兴看到SF3700主控继续优先处理这个问题,LSI表示SF3700的写入延迟99.99%都小于170微秒。

    改进DuraWrite算法

      SF主控最为独特的地方就是在于支持DuraWrite技术,SF专利的压缩算法可以减少NAND的写入量,SF3700主控上的DuraWrite技术也做了改进,LSI宣称它可以显著地减少数据写入量。简单来说就是,SF3700可以进一步压缩低熵数据,这可以降低写入放大,这意味着更高的使用寿命、更高的性能,不过高熵数据本来没有多少压缩空间了,因此改善并不大。

    两级RAISE

      除了DuraWrite压缩算法,SF主控一般还支持RAISE(Redundant Array of Independent Silicon Elements,独立硅冗余阵列)技术,原来的RAISE技术只能保护单页面(page)或者区块(block)错误,不过SF3700主控上的RAISE提供了两级RAISE保护,开启第二级RAISE之后,磁盘可以承受的住多个页面、区块甚至整个核心(die)的错误。

      当然,两级RAISE的缺点就是需要更多的空间用于冗余备份,这里的情况下需要两个die的容量。磁盘要么通过减少OP空间分配给另一个die,要么就直接切换回一级RAISE,也就是目前的RAISE状态。

      前面提到SF3700主控支持9个通道,现在可以来解释一下第9个通道的作用了,OEM厂商需要第9个通道来克服两级RAISE造成的容量损失。OEM厂商不需要在更高的容量和RAISE中做选择,他们可以将第9个通道分配给RAISE,这样还能剩下8个通道用于数据传输(实际上RAISE的负载还是均匀分配给所有9个通道)。OEM厂商可以设计288GiB容量的固态硬盘,实际出售时标记容量为256GB,这时RAISE占据了32GiB的容量,而7%的OP空间实际上在单位换算中扣除了(详情可以参考这个测试),当然,实际上减少的数据空间并不是第9片NAND闪存,而是这9片NAND闪存的每一个都有一小部分空间被RAISE占用。

      RAISE最终的新功能实际上Fractional RAISE(分布式RAISE),此前的RAISE功能占用是一整个die,实际上并不怎么有效。比如64GiB容量的SSD要被占据1/8的空间,剩下的容量只有56GB了,从市场角度来看这可没什么吸引力,消费者不乐意看到自己买的容量被降低了。SF3700主控的分布式RAISE相当于占用了每个die的一小部分容量,总体占用的比一个die容量要小,这样OEM厂商就能不减少可用容量的情况下使用RAISE技术了。

      当然,分布式RAISE技术并不能阻止整个die错误,但他依然要比小容量SSD之前有过的功能(实际上就是没有RAISE功能)要好。

    Shield错误纠正技术


    Shield错误纠正技术

      SF3700主控的最后一个功能是Shield(欧美公司都喜欢用这个名字啊),LSI也升级了SSD主控的错误纠正技术。随着NAND制程工艺的升级,NAND读写或者编程中出现错误的可能也在增加,随着NAND闪存的使用时间,错误率也会增加,闪存刚开始使用时的ECC纠正跟接近使用寿命时的ECC错误是完全不成比例的。

      Shield技术通过不同的ECC算法找出性能与可靠性之间的最佳平衡,一开始的时候Shield拥有低延迟的ECC表现,但是当错误不断增多的时候,Shiled就会进入更复杂的状态,此时为了保证可靠性就要牺牲一定的延迟了。

      Shield可以根据分配给储存ECC数据的空间来决定这个折衷效果,SF3700提供了选项用于分配储存ECC数据的NAND容量比例。理论上,在SSD使用初期它可以更你更多的可用容量,而随着NAND的使用时间增加,它也可以带来更高的可靠性(前提是牺牲更多的可用容量)。不过这个功能需要OS支持,因此不要期待这个功能能应用到现在的大多数消费级SSD上。

      LSI希望通过Shield及对应代码的应用,可以把10nm级别的NAND的P/E次数从3000次提高到1万8千次左右。

    总结

      作为下一代的SSD主控,SF3700有无限可能。如果LSI决定把性能提高到预期水平,那么SF3700将成为最快的消费级PCI-E解决方案。LSI开发SF3700的目的就是设计一个可以应对目前及未来NAND挑战的主控。随着NAND制程工艺的提升,类似DureWrite、RAISE这样的技术在主控中变得越来越重要,因为NAND的寿命、可靠性及性能都在随着制程工艺提升而下降。

      原文作者表示希望SandForce能从以往的SF-2200主控的错误中学到教训,在公开发布之前要确保产品没有问题(不知道这里是在指什么问题了,SF-2200主控进来出问题的就是AES-256加密支持的问题)。另外,作者还担心一个问题,那就是SandForce这个牌子以后是否还会存在,因为现在已经被LSI收购了,现在的SF-3700主控是在LSI辅助下完成的,也使用了LSI的资源。

      此外,现在距离SF3700主控真正上市还有段时间,固件还处于早期阶段,还需要几个月的时间,有可能在明年年中才能看到有相应的产品发布。

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