多维度深入剖析QLC SSD硬件延迟的来源

本文主要针对QLC SSD本身硬件底层延迟来源进行剖析，看看是否有新奇的发现。

如之前文章的介绍，目前NAND已经从SLC发展到PLC，但是PLC离大规模上市还有一段距离，我们暂时先略过。市面上主要流通的就是4种NAND类型：SLC、MLC、TLC、QLC。随着每个寿命从高到低依次是SLC>MLC>TLC>QLC.

随着单个cell含有的bit数越多，NAND的可靠性也会有所降低。同时写延迟也在不断地增加。SLC写延迟在0.5ms级别，到QLC写延迟达到10-20ms，40倍的差距。这也导致QLC SSD性能出现很大的下降。

在评价SSD性能指标的时候，我们通常会提到顺序读写带宽，随机读写IOPS，这些指标与NAND之间的关系是怎么样的呢？延迟的来源有哪些？

(1)NAND Read Page时间影响SSD读性能

Host从SSD读数据，最终数据的来源也是要从NAND die上读取，对NAND die发送Read Page操作，数据返回。这个过程的耗时直接决定了SSD读性能的好坏。下图是某个比较老的NAND SPEC相关读操作的示意图，仅供参考。

(2)NAND Program Page时间影响SSD写性能

Host向SSD写入数据，数据最终的归宿是NAND die。数据写入NAND的时间依赖NAND Channel和Plane的设计，更重要的是需要依赖NAND die本身program page的时间，这个过程的耗时直接决定了SSD写性能的好坏。下图是某个比较老的NAND SPEC相关写操作的示意图，仅供参考。

比如下图是在去年ISSCC展示的不同场景QLC SSD性能的对比。其中，我们可以关注到Program Latency(tPROG)的时间，跟Program Throughput写带宽有直接的关系。同样的Plane配置下，Program Latency(tPROG)的时间越小，Program Throughput写带宽就会越大。

(3)NAND Block Erase的时间也会影响SSD读写性能

下图是SSD写入page的简单示意图。当数据以4KB大小随机写入时，最左边的die的第一个block已经写满了，包括了有用数据或者invalid无效数据。

在SSD FW内部GC启动的策略下，最左边die的第一block的有效数据被搬迁到空闲的数据块block。同时该block开始执行Erase操作。此时，如果我们要读取在这个die的数据A的时候，因为同一颗die正在进行erase操作，就会导致A数据读操作无法执行（同时，如果同一个die或者plane有读操作进行，此时读取同一个die和plane，也会产生冲突，影响读性能），需要等待erase操作完成。最终导致读的延迟里面有多了一个erase block的操作，读性能就会看到一个抖动。

在GC的另外一种状态，SSD内部没有空闲的block，需要等待GC搬迁数据和擦除数据，腾出空闲的数据块，这个过程，erase的操作也影响到写性能。假如我要写入一个4KB的数据Z覆盖A，并恰好目标块没有空余的页区，需要进行GC回收。这个时候就需要把B、C、D、E、F五分数据都搬走，然后擦除整个数据块，擦除完成后再整体写入6个数据页。这个整个过程，Host虽然只写了4KB的数据，但实际过程中，由于GC的问题，NAND最终写入了24KB。那么写放大WAF=24KB/4KB=6. 这整个过程写延迟和写放大都受到了很大的影响。

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(4)NAND其他特性对SSD读写性能的影响

比如要增加写性能，做法是在NAND array Bit Line方向增加plane的并发度，多个page一起写。另外，也可以通过减少Bit line的长度来降低RC延迟，这样可以提升读的性能。

同时，NAND ONFI接口的速率也会影响性能，目前常见的接口速率2400MT/s, 3200MT/s, 3600MT/s。

(5) ECC纠错对SSD读性能的影响

在host读取数据过程中，最理想的情况是一个Page Read Time的时间就可以直接返回数据。但现实情况是，我们可能会因为一些不想看到的问题，导致性能受损。

比如读写之间的温度差、Data Retention、读干扰、写干扰等。导致出现数据翻转，需要启动Read Retry重读机制、LDPC纠错、RAID纠错等修复机制。这个过程就会导致性能出现跌落或者延迟抖动。

在QLC SSD中，因为Vt level之间的电压差更狭小，访问同一个区域的扫描电压影响会更大，更容易引发读干扰的问题。

同样的，Data Retention也比较明显，读写温度差异对QLC NAND的更加敏感。

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(6) 3D-NAND工艺对SSD性能的影响

目前业内3D-NAND工艺架构主要分为两个阵营，一个阵营，以Solidigm(Intel NAND卖给海力士后新成立的公司)为首，采用Floating Gate(FG)浮栅，另外一个阵营三星/WD等，采用Change Trap Flash。FG浮栅将电荷存储在导体中，而CTF将电荷存储于绝缘体中，这消除了单元之间的干扰，提高了读写性能，同时与浮栅技术相比减少了单元面积。不过，FG浮栅对read disturb和program disturb的抗干扰比CTF要好。

FG浮栅架构在Program过程，采用4-16 program算法，这个过程可以减少program disturb写干扰。

CTF架构，或者叫做RG架构，采用16-16 progam算法，两次program都要求所有page直接写入NAND，第一次program电压是放置在最终电压附近。CTF的Data Retention相对比较严重。

在写性能方面的对比，不同的架构有不同的表现。

• 在TLC NAND中，CTF架构tPROG比FG浮栅低18%，所以在TLC SSD中，CTF架构TLC NAND SSD的性能比FG架构TLC NAND SSD性能要好。
• 在QLC NAND中，由于program算法差异的影响，FG浮栅表现更好，FG架构QLC NAND SSD性能比CTF架构QLC NAND SSD性能要好。

再搬出这个QLC SSD性能对比图，同样4plane的QLC SSD，采用FG架构的Intel QLC SSD写延迟tPROG=1.63ms比采用CTF架构的SK Hynix写延迟tPROG=2.15ms要低。

不同的NAND工艺架构，在不同的维度各有千秋，对维度对比，供大家参考。

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结语

不同的FW架构设计、FTL算法设计、NAND die plane/速率等的差异，都会直接影响SSD的性能与延迟，设计一块性能优越且稳定的SSD，是一项繁琐但具有很强艺术性的工程。