【儲存系統】 SandForce發布SF3700主控：9通道，SATA、PCI-E大一統

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發表於 13-11-27 06:08:16 |只看該作者 |降序瀏覽大字中字小字正體化简体化

　　從消費級SSD(固態硬碟)進入普通人的視野以來，SandForce(已被LSI收購)的SF系列主控一度成了SSD主控的代名詞，高中一般的SSD幾乎都能見到SF主控的身影，即便是到現在SF-2281主控依然是大量SSD的第一選擇。雖然SF-2000系列主控並不落伍，不過SandForce日前還是宣佈了新一代主控——SF-3700系列，從2012年CES展會上首次透露下一代主控開始，現在終於能看到下一代SSD主控的身影了。

　　SandForce之前的兩代(消費級)SSD主控SF-1200和SF-2200系列實際上有很多相似之處，SF-2200主控的架構源於SF-1200，而SF3700系列相比前兩代來說完全不同，它雖然繼承了很多SF的技術，比如DuraWrite壓縮算法、RAISE等等，但它是一種全新設計的架構，雖然這並不是我們第一次看到新架構主控，之前Intel在DC S3700企業級固態硬碟上就使用過針對下一代的主控架構設計了。
　　現在SandForce已經被LSI收購，後者在企業級儲存控製器市場上是一哥，因此SF-3700主控要有一定的前瞻性，要考慮適應近來出現的新技術。對於SF-3700新一代主控的詳細設計和特點，Anandtech網站詳細刊文做了分析。

　　相比前代產品，SandForce的SF37000主控更加模組化，SoC處理器的前端、核心及後端都是模組化設計的，這樣它支援3D NAND這樣的新類型快閃記憶體會更加容易，支援新介面標準也一樣更容易。目前正處於SATA介面和PCI-E介面的過渡期，展望PCI-E 2.0之後的介面標準，前端模組化設計可以方便地應對這個過程。
　　後端部分，SF-3700主控有9個NAND通道，相容Toggle及ONFi類型的NAND快閃記憶體。SandForce的主控在支援各種各樣的快閃記憶體類型上一直做得很好，SF3700也不例外。廠商可以選擇市面上的各種NAND快閃記憶體(包括TLC快閃記憶體)，SandForce可以、而且會很快針對未來的NAND快閃記憶體類型提供支援。
　　與之前的SF主控一樣，SF3700也不需要外部DRAM快取，NAND映射表及其他重要數據都是儲存在SF3700主控的內部DRAM快取中。
　　任何一個現代的SSD主控都不可能繞過PCI-E介面支援，SF3700主控同樣支援SATA 6Gbps及PCI-E 2.0 x4(註：沒看到SATA Express，雖然標準早在今年就公佈了)介面，而且是單晶片同時支援這兩種介面。廠商可以在驅動層自行決定支援哪種介面，使用者不能自己切換兩種介面，不過廠商(drive maker)可以在SATA和PCI-E之間切換。
SF3700主控家族成員

SF3700主控家族成員

　　目前規劃中的SF3700主控成員有4個，從低到高分別是SF3719、SF3729、SF3739和SF3759，SF3719主打入門級PC，支援SATA 6Gbsp和PCI-E 2.0 x2介面，它跟SF3929的介面類型是一樣的，不過SF3719的韌體功能更少，這兩個主控的建議SSD規格是M.2介面(NGFF介面)。
　　從SF3739開始就不再支援SATA介面，全面轉向PCI-E介面，主打發燒級及價值型企業級儲存市場。他們支援完整的斷電保護功能( power-loss protection)，不過這個功能也是可以由OEM廠商決定支援與否的，目前SF-2200系列並不支援斷電保護功能，因為這是企業級SSD主控才支援的功能。
　　SF3759是唯一一個真正針對企業級儲存的主控產品，具備一些企業級主控才有的功能。
SF3700主控公版SSD

使用SF3700主控的公版SSD

　　距離SF3700主控SSD正式上市開賣還有幾個月的時間，不過LSI提供了一些公版SF3700主控固態硬碟的性能數據，容量為256GB和512GB，結果如下：

　　SATA 6Gbps介面的SSD中，連續讀取速度為550MB/s，連續寫入502MB/s，隨機讀取性能94K IOPS，隨機寫入46K IOPS，這個性能跟目前的SF-2281主控SSD相比並沒有什麼驚喜，看起來SATA  6Gbps介面真的要達到性能瓶頸了。
　　PCI-E 2.0 x4介面SSD中，連續讀寫速度達到1.8GB/s，隨機讀寫IOPS分別達到了150K、81K，這個性能就很強大了，PCI-E  2.0 x4的理論速度也不過2GB/s，SF3700主控已經實現了9成功力。
  　　在LSI自己的測試中，早期的韌體已經可以實現1.45GB/s的速度了，功耗指標還沒有最終定下來，不過LSI表示現在的功耗大約是4W，他們正在通過韌體最佳化來降低功耗，待機功耗可能比SF-2200系列還要低，也會支援目前的DevSleep等節能技術。

SF3700主控的延遲

　　企業級儲存注意的還有IO延遲，這也是SF3700主控優先考慮的地方。SF-2000主控在這一點上表現始終如一，現在很高興看到SF3700主控繼續優先處理這個問題，LSI表示SF3700的寫入延遲99.99%都小於170微秒。
改進DuraWrite算法
　　SF主控最為獨特的地方就是在於支援DuraWrite技術，SF專利的壓縮算法可以減少NAND的寫入量，SF3700主控上的DuraWrite技術也做了改進，LSI宣稱它可以顯著地減少數據寫入量。簡單來說就是，SF3700可以進一步壓縮低熵數據，這可以降低寫入放大，這意味着更高的使用壽命、更高的性能，不過高熵數據本來沒有多少壓縮空間了，因此改善並不大。

兩級RAISE

　　除了DuraWrite壓縮算法，SF主控一般還支援RAISE(Redundant Array of Independent Silicon  Elements，獨立矽冗餘陣列)技術，原來的RAISE技術只能保護單頁面(page)或者區塊(block)錯誤，不過SF3700主控上的RAISE提供了兩級RAISE保護，開啟第二級RAISE之後，磁碟可以承受的住多個頁面、區塊甚至整個核心(die)的錯誤。
  　　當然，兩級RAISE的缺點就是需要更多的空間用於冗餘備份，這裡的情況下需要兩個die的容量。磁碟要麼通過減少OP空間分配給另一個die，要麼就直接切換回一級RAISE，也就是目前的RAISE狀態。
  　　前面提到SF3700主控支援9個通道，現在可以來解釋一下第9個通道的作用了，OEM廠商需要第9個通道來克服兩級RAISE造成的容量損失。OEM廠商不需要在更高的容量和RAISE中做選擇，他們可以將第9個通道分配給RAISE，這樣還能剩下8個通道用於數據傳輸(實際上RAISE的負載還是均勻分配給所有9個通道)。OEM廠商可以設計288GiB容量的固態硬碟，實際出售時標記容量為256GB，這時RAISE佔據了32GiB的容量，而7%的OP空間實際上在單位換算中扣除了(詳情可以參考這個測試)，當然，實際上減少的數據空間並不是第9片NAND快閃記憶體，而是這9片NAND快閃記憶體的每一個都有一小部分空間被RAISE占用。
　　RAISE最終的新功能實際上Fractional  RAISE(分散式RAISE)，之前的RAISE功能占用是一整個die，實際上並不怎麼有效。比如64GiB容量的SSD要被佔據1/8的空間，剩下的容量只有56GB了，從市場角度來看這可沒什麼吸引力，消費者不樂意看到自己買的容量被降低了。SF3700主控的分散式RAISE相當於占用了每個die的一小部分容量，總體占用的比一個die容量要小，這樣OEM廠商就能不減少可用容量的情況下使用RAISE技術了。
　　當然，分散式RAISE技術並不能阻止整個die錯誤，但他依然要比小容量SSD之前有過的功能(實際上就是沒有RAISE功能)要好。
Shield錯誤糾正技術

Shield錯誤糾正技術

　　SF3700主控的最後一個功能是Shield(歐美公司都喜歡用這個名字啊)，LSI也升級了SSD主控的錯誤糾正技術。隨着NAND製程工藝的升級，NAND讀寫或者編程中出現錯誤的可能也在增加，隨着NAND快閃記憶體的使用時間，錯誤率也會增加，快閃記憶體剛開始使用時的ECC糾正跟接近使用壽命時的ECC錯誤是完全不成比例的。
　　Shield技術通過不同的ECC算法找出性能與可靠性之間的最佳平衡，一開始的時候Shield擁有低延遲的ECC表現，但是當錯誤不斷增多的時候，Shiled就會進入更複雜的狀態，此時為了保證可靠性就要犧牲一定的延遲了。
　　Shield可以根據分配給儲存ECC數據的空間來決定這個折衷效果，SF3700提供了選項用於分配儲存ECC數據的NAND容量比例。理論上，在SSD使用初期它可以更你更多的可用容量，而隨着NAND的使用時間增加，它也可以帶來更高的可靠性(前提是犧牲更多的可用容量)。不過這個功能需要OS支援，因此不要期待這個功能能應用到現在的大多數消費級SSD上。
　　LSI希望通過Shield及對應代碼的應用，可以把10nm等級的NAND的P/E次數從3000次提高到1萬8千次左右。
總結

　　作為下一代的SSD主控，SF3700有無限可能。如果LSI決定把性能提高到預期水準，那麼SF3700將成為最快的消費級PCI-E解決方案。LSI開發SF3700的目的就是設計一個可以應對目前及未來NAND挑戰的主控。隨着NAND製程工藝的提升，類似DureWrite、RAISE這樣的技術在主控中變得越來越重要，因為NAND的壽命、可靠性及性能都在隨着製程工藝提升而下降。　　原文作者表示希望SandForce能從以往的SF-2200主控的錯誤中學到教訓，在公開發布之前要確保產品沒有問題(不知道這裡是在指什麼問題了，SF-2200主控進來出問題的就是AES-256加密支援的問題)。另外，作者還擔心一個問題，那就是SandForce這個牌子以後是否還會存在，因為現在已經被LSI收購了，現在的SF-3700主控是在LSI輔助下完成的，也使用了LSI的資源。
　　此外，現在距離SF3700主控真正上市還有段時間，韌體還處於早期階段，還需要幾個月的時間，有可能在明年年中才能看到有對應的產品發布。

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