开后SSD高速时代

　　尽管没有什么夸张的规格，尽管性能并不惊人，但说到SF-2281，相信很多DIY玩家都不陌生。这种看似“烂大街”的主控芯片以低廉的价格、够用的性能成为不少中、低端固态硬盘的首选，而SandForce也与主流划上了等号。不过，自2011年被LSI以3.22t2美元收购以后，SandForce似乎获得了全面的新生。在2014年CES展会上，SandForce展出了号称拥有未来最强性能的新一代SF3700系列主控芯片。接下来，就让我们通过其泄露的最新资料，看看它到底拥有怎样的绝技，其性能又达到了何种高度？

　　我们知道，在SandForce并入LSI旗下之前，曾推出过两代SSD主控芯片，分别为S F1200系列和SF2200系列。SF2200系列的产品并没有对主要架构做出很大调整，为了缩短产品推向市场的时间，SF2200系列的设计基本上是在SF1200系列的基础上修改完成的。因此，SF1200和SF2200系列在性能上没有明显差别，这不能不说是SandForce留下的一大遗憾。而这一遗憾在SF3700系列中得到了补救。虽然SF3700继承了前代产品SF2200系列的技术特性，比如DuraWrite庄缩算法、RAISE等等，但SF3700的架构却是全新设计。

　　从架构图中我们不难发现，新一代主控SF3700的设计具有非常鲜明的模块化特点，前端、核心，以及后端三部分都实现了模块设计。在这样的模块化设计上，增减技术特性会变得十分容易，从高端到低端的芯片布局只要增减模块就能实现控制。替换前端接口模块就可以让SF3700快速地与其他接口协议对接。当前的SSD市场正在实现从SATA到PCI-E的转换，这样的模块化设计显然能够让迁移更加便捷。

　　目前SF3700的前端模块支持SATA 6G b/s和PCI-E 2.0 x4两种接口，但值得注意的是，使用哪一个接口的能力并没有开放给普通用户自由设置，而是由厂商决定。后端模块则配备了多达9条NAND闪存读写通道，允许与Toggle-Mode和ONFI NAND等多种类型的闪存颗粒搭配。与此前的SandForce产品相同，SF3700控制器也不需要外部DRAM缓存，闪存映射表以及其他关键数据都保存在SSD控制器内部的高速缓存中，这样一来访问这些数据所需的延迟更低，有助于实现高速传输。

　　对于写入寿命有限的SSD产品来说，如何控制写入放大是一个可以反映厂商技术实力的问题。若谈及SandForce的产品，那么它那独特的DuraWrite技术不可不提。其特有的压缩算法不仅可以减少对闪存的写入星，也顺带提高了读写速度。举例来说，如果一个数据库的文件原本需占用1GB的容量，那么在写入基于SandForce主控芯片的SSD上，很可能只需要占用硬盘约80MB的空间(数据库模型文件一般可压缩到原有体积的8%)。同时，如果固态硬盘的写入速度原本为300M B/s，那么在写入这个1GB数据库文件时，由于其实际写入量仅80MB，因此只需不到1秒的时间就可完成。

　　而在SF3700主控上，它对DuraWrite技术进行了加强，可以进一步提升低熵数据的压缩率。所谓低熵数据就是指那些数据库文件、文本文件以及程序类文件等可以被压缩的数据类型。而对影音、RAR、图片等这些已经被压缩过的高度熵值文件，则不会具备太大作用。 除了控制写入的DuraVVrite，SF前代产品也配备了冗余阵列来防止意外情况下导致的数据丢失。这个冗余阵列被称为RAISE。此前的RAISE技术通过占用一颗Die，来保护单一的页面或数据块，而SF3700提供了两级RAISE，使得SSD能够保护多个页面、数据块，乃至一整颗Die。这一保护能力不可谓不强，对于非常注重数据安全的企业客户来说无疑是福音。不过，要完整保护一颗Die的数据也就意味著SSD必须使用更多的空间进行冗余备份。要开启两级RAISE功能的话，不仅需要占用SSD上的两颗Die，还得为冗余芯片专门设计一条数据传输通道，而这也是SF3700主控芯片设计9条读写通道的主要原因（其余8条用于正常工作状态下的数据传输）。这显然将不可避免地抬高SSD的成本，简单地说，如果要保证一块SSD拥有256GB的可用空间，并使用两级RAISE功能，那么厂商必须为这块SSD配备288GB的闪存容量，其中两颗Die的容量即32GB用于备份。

　　对于普通消费者来说，这显然不是一个划算的买卖，因此SandForce还为SF3700设计了新的单级RAISE阵列技术——小型RAISE。从前文可以看到，在以往，即便只是保护单一的页面或数据块也需要占用一颗Die，因此一块64GB容量的SSD也会损失-1/8的容量，其实际可用空间只有56GB左右。而在优化算法的帮助下，小型RAISE技术将减少对冗余空间的需求，只需占用一颗Die的部分容量，就能具备以往单级RAISE阵列技术的功能。业内人士认为，该技术将在未来的小容量SSD上大放异彩。

　　随着SSD向更低线宽的先进工艺迁移，硬件存储上遇到的错误会越来越多．并且出错几率会随着SSD的使用时长而逐渐提高。在SSD使用初期所需要的纠错算法，与寿命将尽时需要的纠错算法并不相同。SF3700支持一项被称为SHIELD（护盾）的数据纠错技术。该技术引入了多种数据纠错算法来进行自适应的数据纠错。在数据{昔误率较低，工作状况良好时，SSD将使用简单而处理延迟较低的纠{昔算法。而当错误率开始升高的时候，SSD就会采用复杂、处理延迟较高的纠{昔算法。

　　值得一提的是，数据纠错算法本身也需要存储一些校验码作为辅助数据使用。一般来说复杂的校验纠错算法需要更多的校验码，但是识别错误的能力也更强。举例来说，硬件上最简单的错误校验算法是单位奇偶校验，只需对一整块数据（通常是一个字节）里面的0或1的数目做记录，当0和1的相对数目发生变化时便可侦测到错误。这种效验码开销极低，但是检{昔能力受限。暂且不说它无法侦知偶数个的比特{昔误，即便它侦知有错误产生，也无法定位错误所在，使得错误纠正成为不可能，这才是最头疼的问题。硬件上常用的另外两种算法，二维奇偶校验和汉明码，则提供了定位错误所在并加以纠正的关键能力，但代价是需要更多的存储空间来存储效验码，并且数据规模越大，所需开销越多，这部分校验码会占据SSD本来就不多的存储空间。

　　因此，SHIELD的“特异功能”是允许用户控制每一个闪存页面，设置数据纠错算法使用的空间百分比。用户可以在SSD的使用初期，也就足使用简单数据纠错算法的时候，将SSD有效容量维持在较高水平，而当SSD走入使用寿命后期时，则提升数据纠错算法的占用空间，从而提升SSD的稳定性。不过遗憾的是，该技术需要专业操作系统的支持，很可能只会出现在面对服务器及数据中心设计的企业级产品上。SandForce表示，通过SHIELD技术的应用，可以把-lOnm级别的NAND的P/E次数从3000次提高到1万8干次左右。

　　目前，SF3700家族中有四种不同型号。低端入门级型号S F37-19是为高性价比的PC而设计，支持SATA 6Gb/s和PCI-E 2.0x2接口。SF3729的定位则比较适合超极本与笔记本，以上这两种主控均被建议在采用M．2(NGFF)板型的SSD上使用。而SF3739则适合性能发烧级以及企业入门级的用户，它舍弃了对SATA接口的支持，换来了两条额外的PCI-E通道，由此支持PCI-E 2.0 x4接口，并拥有掉电保护功能。SF3759则是面向企业级存储的旗舰型号，可定制需使用的PCI-E通道数，将主要应用在采用HHHL(半标高半标长)板型的大型企业级SSD上。

　　SandForce官方提供的SF3700主控芯片标称数据相当惊人．在其256GB/512GB SSD上，如使用PCI-E 2．O x4接口，它们的连续传输速度标称值达到1800M B/s，与PCI-E 2.0 x4 2GB/s的接口理论速度上限仅剩约200M B/s的距离。而在使用SATA 6Gb/s接口下，虽然最大速度受限许多，但SSD最大连续550M B/s的标称值也开始逼近接口速度上限，I/O接口升级的脚步已悄然临近。

　　而在实际性能测试中，SandForce表示，早期的固件已经在SF3700上实现了约1.45G B/s的传输速度。其功耗约4W，待机功耗比SF2200系列还要低，并支持DevSleep这类节能技术。

　　SSD的读写性能在企业级市场备受青睐，SF3700也为杀入企业级市场准备了一道杀手锏。当前的数据中心正面临所谓“长尾延迟”司题，尽管数据中心的处理能力异常强大，能够把大批请求的处理延迟压在比较低的范围内，但是处理延迟的分布却是向较慢的一侧倾斜。举例来说，可能十万个请求中，有五万个请求在10us内得到了快速响应，但由于处理器、缓存、内存、SSD等部件的争用，另外五万个请求的处理延迟分布在10us-lOOOus之间，并且以50us以上居多，这种“长尾延迟”问题近年来吸引了工业界和学术界的许多关注，针对这种情况有许多解决方案被提出，而SandForce显然也不甘人后。

　　从本页左上的示意图，我们可以看到SF3700将95%的写入操作的延迟压在了50us以下，压倒性多数的写入操作延迟主要分布在25us到50us这一较小的区间内，170us以上的操作只占0.01%。对比右侧中的蓝色曲线，其“长尾”现象异常明显。这一关键性的提升可以很好地应对数据中心中SSD读写的长尾延迟问题，相信会对数据中心市场具备较大吸引力。

　　当然，无论是以上的技术介绍，还是标称性能指标，可以说都只是SandForce的“一面之词“，SF3700主控的表现究竟如何，还得待实际产品上市以后再作检验。而让人兴奋的是，在今年举办的CES 20-14展会上，终于有厂商获得SandForce的许可，展出了基于SF3700主控芯片的实际产品——HyperX“掠夺者”SSD。这款SSD采用PCI-E 2.0 x4接口设计，配备一块大型的蓝色铝制散热片，采用东芝19nm 2bpc MLC闪存颗粒。其外形与金土顿传统的Hyper X内存非常相似。而更惊人的还是它的性能，其连续读取速度在展示中达到了1807.32M B/s，与标称指标可以说完全一致。

　　稍显遗憾的是，在展会上SandForce未展示SF3700主控的写入性能，其关键的写入性能究竟几何还要打一个大大的问号，另外，SF3700也还正在进行固件优化、通信协议升级等多项完善工作。

　　我们认为，如果SF3700系列主控最终能实现其标称性能指标，那么这对于固态硬盘来说将是非常大的突破。虽然在以往，我们也曾看到有一些高端PCI-E固态硬盘拥有上千兆的传输速度，但那些SSD的设计方案都是采用多颗SATA主控芯片，桥接芯片，通过组建RAID0阵列达到的，价格十分昂贵，多面向企业级用户。而从HyperX“凉夺者”SSD的拆解图来看，它的确是PC历史上，第一块依靠一颗原生PCI-E主控芯片，就能达到如此极速的固态硬盘。显然，SF3700系列主控的问世不仅带来了非常强大的性能，也将有效降低高端PCI-E固态硬盘的制造成本，让固态硬盘真正开启从SATA向PCI-E高速时代转换的大门。