近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大模型、IoT等技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用的規(guī)模也迅速增長(zhǎng)，由此產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理需求。據(jù)估計(jì)【1】，2023年全世界產(chǎn)生了147 ZB數(shù)據(jù)，到2025年這個(gè)數(shù)字將變成181 ZB。不僅數(shù)據(jù)量快速增長(zhǎng)，大模型、HPC等應(yīng)用對(duì)性能要求也很高，傳統(tǒng)大容量HDD無(wú)法滿足。在此背景下，2024年大容量QLC SSD的市場(chǎng)份額得到了快速增長(zhǎng)。

本期開始我們將分為三期圍繞QLC SSD的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用收益、設(shè)計(jì)難點(diǎn)，以及適用場(chǎng)景等方面展開討論。

QLC SSD與TLC SSD哪個(gè)更強(qiáng)

本文選取了兩個(gè)有代表性的QLC SSD和TLC SSD盤片進(jìn)行對(duì)比【1,2】。

QLC SSD的單盤最大容量為61.44TB，而典型TLC SSD的最大容量為7.68TB。存儲(chǔ)相同數(shù)據(jù)量，QLC SSD占用更少的機(jī)架空間。在單盤故障的情況下，QLC SSD的影響范圍也更大。因此，QLC SSD更適合用在具有多盤之間數(shù)據(jù)冗余保護(hù)的系統(tǒng)中，如全閃陣列、全閃分布式存儲(chǔ)等。在這樣的系統(tǒng)中，單盤失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)斷供。

◎圖1：典型QLC SSD與TLC SSD對(duì)比

盡管QLC SSD的單盤功耗更大，但由于其單盤容量更大，因此QLC SSD每個(gè)TB的平均功耗更小。典型QLC SSD平均每TB功耗為0.2W，而TLC SSD平均每TB的功耗為1.1W。按照一臺(tái)服務(wù)器配置12片SSD、服務(wù)器（不含SSD）功耗500W計(jì)算，QLC SSD的整系統(tǒng)每TB功耗是0.9W，而TLC SSD為6.5W，兩者之間相差懸殊。

QLC在每個(gè)cell中存儲(chǔ)4 bits信息，相比TLC的信息存儲(chǔ)密度更高。但是QLC的擦寫次數(shù)相對(duì)TLC更少，這導(dǎo)致QLC SSD的耐久性比TLC SSD差一些。典型QLC SSD的DWPD值為0.58，而TLC SSD的DWPD為1，相差并不懸殊。

大尺寸順序讀寫請(qǐng)求的性能與小尺寸（4KB）隨機(jī)讀性能，QLC SSD與TLC SSD均基本持平。

4KB隨機(jī)寫性能，QLC SSD只有TLC SSD的五分之一左右。QLC SSD只有38K IOPS，而TLC SSD達(dá)到了200K IOPS。下一期將詳細(xì)解釋造成這種差異的原因。

從以上對(duì)比可以看出，大容量QLC SSD特別適合數(shù)據(jù)量大、存儲(chǔ)成本敏感、性能要求高、且讀多寫少的場(chǎng)景。

QLC SSD與HDD的主要差異

◎圖2：典型QLC SSD與HDD對(duì)比

如圖2所示，與QLC SSD相比，HDD的最大容量小很多。HDD的順序讀寫和隨機(jī)讀寫性能與QLC SDD相比都差很多。HDD的單盤功耗小一些，但是每TB平均功耗比QLC SSD差很多。

雖然HDD沒(méi)有每日寫入數(shù)據(jù)量（DWPD）這個(gè)指標(biāo)，但是HDD有一個(gè)workloads rate指標(biāo)，例如Ultrastar DC HC560的workloads指標(biāo)是每年最多550TB。如果讀出和寫入的數(shù)據(jù)量超出workloads值，那么HDD的性能會(huì)降低，并且可靠性指標(biāo)年故障率（AFR）也會(huì)上升。如果把workloads視為DWPD，那么這款HDD的DWPD只有0.075，這與QLC SSD的0.58相差很大。

與HDD相比，QLC SSD每TB價(jià)格高，QLC SSD另外一個(gè)短板是數(shù)據(jù)保持時(shí)間短一些，斷電之后QLC SSD的數(shù)據(jù)可靠保持三個(gè)月左右，超過(guò)三個(gè)月就有數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)。如果不斷電，而是讓QLC SSD一直處于帶電空閑狀態(tài)，則沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)。

QLC SSD的TCO更低

未來(lái)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，HDD在每TB采購(gòu)價(jià)格上仍然顯著優(yōu)于QLC SSD。但是，QLC SSD的每TB功耗更低，在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，QLC SSD的總體擁有成本比HDD更低，下面以一個(gè)100PB對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明。

對(duì)象存儲(chǔ)用來(lái)保存圖片、視頻等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量特別大，對(duì)性能要求不高，對(duì)存儲(chǔ)成本要求比較苛刻。因此，現(xiàn)在大多數(shù)對(duì)象存儲(chǔ)是基于HDD的，或者用少量SSD做緩存，完整數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在HDD上。

由于對(duì)象存儲(chǔ)的易用性和可擴(kuò)展性很好，公有云上對(duì)象存儲(chǔ)價(jià)格比塊存儲(chǔ)便宜很多，越來(lái)越多上層應(yīng)用把數(shù)據(jù)保存在對(duì)象存儲(chǔ)中。例如，很多公有云上的在線分析型（OLAP）數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)就保存在對(duì)象存儲(chǔ)中。因此，未來(lái)勢(shì)必會(huì)對(duì)對(duì)象存儲(chǔ)提出更高的性能要求，除了順序訪問(wèn)的吞吐量要求之外，還會(huì)提出更高的IOPS要求。

下圖是一個(gè)100PB的對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)，使用不同硬盤來(lái)構(gòu)建，其結(jié)果差異很大。其中三種硬盤分別是3.5寸20TB HDD、61.44TB QLC SSD、7.68TB的TLC SSD。可見使用QLC SSD的對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)所需的服務(wù)器數(shù)量、機(jī)架數(shù)量都更少，能耗也更低，性能卻高很多。隨著價(jià)格逐漸降低，高密度QLC SSD將會(huì)逐漸進(jìn)入對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)，逐步替代HDD。

◎圖3：100PB對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)使用不同盤的情況對(duì)比

利用硬盤模擬磁帶機(jī)的在線備份系統(tǒng)，寫入數(shù)據(jù)量大，對(duì)存儲(chǔ)空間成本要求苛刻。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，在線備份只能使用HDD，SSD無(wú)法滿足成本要求。但是，大容量QLC SSD成本下降到一定程度時(shí)，會(huì)在大部分在線備份系統(tǒng)中替代HDD。

◎圖4：100PB對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)用不同盤的機(jī)架數(shù)量對(duì)比

研究表明【4】，在一個(gè)10PB存儲(chǔ)容量的大模型應(yīng)用環(huán)境中，相較于 HDD 和 TLC SSD 混合系統(tǒng)，完全采用 QLC SSD 的系統(tǒng)在能耗效率方面優(yōu)勢(shì)顯著，足足高出 79.5%。

綜上對(duì)比，QLC SSD、TLC SSD以及HDD三種盤型中，QLC SSD在單TB上的平均功耗更小、存儲(chǔ)密度更高，在對(duì)象存儲(chǔ)等系統(tǒng)中總TCO更低，這些都將推動(dòng)存儲(chǔ)的更新?lián)Q代。