白皮书：基于 NAND 的固态内存和存储
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毫无疑问，现代固态硬盘 (SSD) 提供的性能和可靠性均优于传统硬盘驱动器 (HDD)。固态硬盘具备显著的性能优势，而且随着技术的成熟而更加普及。这种成熟造成了固态硬盘竞品、价格范围和性能特点层出不穷，令人难以在性能与价格之间找到合适的平衡。
Solidigm 从英特尔收购 NAND 内存和存储技术，现在正在生产 Solidigm 670p。¹ 在与竞争厂商的多款固态硬盘和机械硬盘产品进行对比的近期测试中，Solidigm 发现容量在 2 TB 及以下的 Solidigm SSD 670p 在价格和性能之间取得了出色的平衡。
固态硬盘是没有移动部件的纯电子设备，过往记录业已证明，其耐用性远超机械硬盘。机械硬盘依赖于物理旋转的磁盘和移动的读/写磁头，而这些部件最终会老化和失灵。随着这些部件不断磨损，无论是读取还是写入数据，机械硬盘都会开始出现数据错误，最终无法使用。
机械硬盘还可能因振动或冲击而损坏。例如，如果安装机械硬盘的笔记本电脑掉落，磁盘和读/写磁头可能会错位，或者读/写磁头会撞击旋转的磁盘，损坏磁盘和其中的数据。
固态硬盘不含移动部件，因此不会受到像机械硬盘一样的物理限制。在上述笔记本电脑掉落的例子中，由于固态硬盘没有易于损坏的旋转盘片或硬盘磁头，因而受损机率大大降低。
固态硬盘的发展历史可以追溯到 1970 年代，但近期的进展主要集中在 NAND 闪存方面。NAND 闪存类似于传统机械硬盘，是一种非易失性存储技术，在设备断电时会保留其数据。NAND 闪存分成称作单元的存储单元。早期基于 NAND 的固态硬盘采用单层单元闪存，也就是 SLC 技术。这种类型的 NAND 每单元可存储一位数据，特点是读/写速度快，可靠性高。容量更高的固态硬盘最终转向多级单元（MLC）闪存，该技术每单元包含两位数据，将内存容量翻了一番。MLC 闪存在 1990 年代末 2000 年代初首次亮相。制造商改进了他们的工艺，以便堆叠多个单元，从而提高了单元密度和容量。制造商通过增加单个单元可容纳的数据量，继续扩大 NAND 闪存的容量。今天的固态硬盘通常包含三级单元 (TLC) 闪存，制造商在 2010 年代初开始出货。TLC 闪存为每个单元提供三位数据。更新型的四级单元（QLC）闪存将内存存储量提高到每个单元四位，使每单元的位数比 TLC NAND 多出 33%。这些闪存改进的优点在于增加了内存密度，从而扩大了固态硬盘总体容量，同时还降低了每 GB 成本。
与 SLC 相比，每个单元存储更多位的 NAND 技术的性能特征有所不同。随着每个单元的位数增加，将数据写入单元所需的时间也会增加。配置有 TLC NAND 闪存的 SSD 向每个单元写入三位信息，而基于 QLC NAND 的 SSD 需要向一个单元写入四位。由于 TLC 写入每个单元的位数较少，因此向 TLC NAND 写入数据通常比 QLC NAND 更快。由于存储数据的单元仅具备有限的编程/擦除 (P/E) 循环次数，固态硬盘最终会老化。当数据写入单元时，即为一个 P/E 循环。当每个单元达到其 P/E 循环阈值时，便会无法容纳电荷，最终丧失功用。此外，每单元的位越多，就意味着每个单元的写入次数越多。SLC 和 MLC 具有较高的 P/E 循环阈值，而 TLC 和 QLC 具有较低的 P/E 阈值。基于 QLC NAND 的固态硬盘通过将 P/E 循环磨损分布到大量单元中，来帮助克服单元性能的下降。由于存储容量增加，基于 QLC NAND 的 SSD 可以将磨损分散到更多的单元中。虽然 P/E 循环会导致单元最终磨损，但读取循环不会。可以从每个单元读取数据而不会降低单元性能，这使得基于 QLC NAND 的 SSD 成为混合的真实世界工作负载的理想选择。
Solidigm 670p 固态硬盘采用 144 层英特尔 QLC 3D NAND 技术，可为实际计算环境提供高内存密度和性能。Solidigm 670p 固态硬盘有 512 GB、1 TB 和 2 TB 三种容量，单面外形尺寸为 M.2 2280，专为具有 NVM Express (NVMe) 接口的 PCIe 3.0 x4 而设计。大多数移动和桌面平台制造商已经广泛采用这种外形尺寸和接口，因此 Solidigm 670p 固态硬盘可以兼容多种多样的设备。Solidigm 670p 固态硬盘极具耐写度，专为在混合工作负载环境中可靠运行而设计。耐写度以每 512 GB 容量写入的 TB 数 (TBW) 为单位，衡量每 512 GB 容量在固态硬盘预期使用寿命内可以写入多少 TB。例如，512 GB Solidigm 670p 的 TBW 评级为 185，这意味着在产品使用寿命内可以写入 185 TB 的数据。换句话说，在产品五年保修期内每天可写入超过 100 GB 的数据，大大超出许多用户在典型家庭或办公室环境中写入的数据量。TBW 也会随着固态硬盘i容量的增加而增加。1 TB Solidigm 670p 的 TBW 为 370，而 2 TB Solidigm 670p 的 TBW 为 740。
QLC 闪存与 SLC 闪存的不同之处在于，写入 QLC 闪存单元的数据是 SLC 闪存单元的四倍。向每个单元写入更多数据需要更长的时间，这使得 SLC 闪存比 QLC 更快。Solidigm SSD 670p 固态硬盘以类似 SLC 的动态缓存来使用 QLC 闪存，有助于提高性能。该内存模仿 SLC 闪存，每个 QLC 单元中仅存储一位，而不是四位，这有助于提高性能并提供更好、响应更快的最终用户体验。除了动态 SLC 缓存外，每个固态硬盘还包含静态数量的 SLC 缓存，如表 1 所示。新驱动器包含完整缓存大小，而大部分已满的驱动器包含不少于静态缓存大小。改进的动态 SLC 缓存与静态 SLC 缓存的不同之处在于，专用于动态缓存的内存量是可变的。随着更多数据写入固态硬盘，动态缓存中的内存量可以调整以容纳更多数据，然后还可以在数据被删除时恢复到原始大小。
[表 1. 512 GB、1 TB 和 2 TB Solidigm 670p 固态硬盘的固定和动态 SLC 缓存大小]
与上一代 英特尔 SSD 660p 相比，更出色的缓存和更高的 QLC 性能相结合，实现了更高的顺序读取和写入性能。Solidigm 670p 的读取带宽高达 3,500 MB/s，而英特尔 SSD 660p 则为 1,800 MB/s；写入带宽增加到 2,700 MB/s，而 660p 为 1,800 MB/s。²。
[图 2. Solidigm 670p 读写性能与英特尔 SSD 660p 的比较²]
Solidigm 670p 驱动器在低队列深度 (QD) 方面有所优化，因此非常适合消费者工作负载，例如游戏和办公。QD 是指工作负载生成的未处理的存储访问数量。当应用程序或操作系统需要读取或写入数据时，固态硬盘将所请求的数据返回给应用程序或操作系统，或者将数据写入其内存。
一般来说，大多数消费应用程序会生成四个或者更少的低 QD。此外，大多数实际工作负载主要生成随机读取，即应用程序从固态硬盘中读取数据的频次高于写入数据。Solidigm 670p 驱动器针对这些常见的 PC 使用模式做了优化。这些模式将低队列深度与随机读取操作（构成固态硬盘的大部分工作负载）相结合。
最近，Solidigm 比较了几种价值导向型固态硬盘和消费级笔记本电脑机械硬盘的性能基准。固态硬盘采用各种 NAND 技术，包括 QLC 和 TLC，而机械硬盘是标准驱动器，以每分钟 7,200 转 (RPM) 的速度旋转。性能测试使用了行业标准的基准测试工具和方法。
Solidigm 工程师运行了一系列基准测试来模拟不同类型的常见工作负载，包括 PCMark 10 版本 2.1.2523.64、CrystalDiskMark 8、《最终幻想 14：晓月之终途》基准测试和 BAPCo MobileMark 2018 版本 1.0.2.46。工程师们还测量了领先的办公生产力和媒体工具的应用程序和文件加载时间，包括 Adobe Photoshop、Adobe Lightroom、Adobe Premiere Pro、Microsoft Word for Microsoft 365、Microsoft Excel for Microsoft 365 和 Microsoft PowerPoint for Microsoft 365。最后，Solidigm 工程师进行了电池耗尽测试。
[表 2. Solidigm 性能基准测试中使用的驱动器]
使用两台笔记本电脑对驱动器进行测试，两台笔记本电脑均采用以下配置：
• 系统：华硕 Vivobook
• 处理器：英特尔® 酷睿™ i7-1065G7 处理器
• 内存：8 GB
• 显卡：英特尔 HD Graphics 6000
• 操作系统：Windows 11，build 22000.194，装有最新更新
一台笔记本电脑用于性能基准测试，而第二台笔记本电脑用于应用程序启动和电池续航测试。
除电池性能和电池耗尽测试外，每项基准测试都运行了三次，计算结果的中位数和平均值以确定每个结果的 ±5% 差异。最终结果是所有三次基准测试结果的中值。
在运行基准测试之前，Solidigm 工程师还使用 Iometer、Cinebench R20 单线程和多线程以及 Cinebench R23 单线程和多线程对笔记本电脑进行了校准。
以下部分讨论了每项基准测试、应用程序启动和负载测试以及电池续航时间测试的性能结果。
PCMark 10 提供一整套基准测试，用以测试各种 PC 系统组件。为了测试驱动器的性能，Solidigm 工程师运行了两项 PCMark 存储基准测试：PCMark 快速系统驱动器基准测试和 PCMark 全系统驱动器基准测试。这些基准测试使用来自常见应用程序和任务的真实世界数据。
PCMark 快速系统驱动器基准测试与 PCMark 全系统驱动器基准测试相似，但测试时间更短，真实世界跟踪数据集也较小。该基准侧重于使用 Microsoft Excel、Adobe Illustrator 和 Adobe Photoshop 对各种类型的文件进行复制操作。与 PCMark 全系统驱动器基准测试相似，PCMark 快速系统驱动器基准测试的分数是根据带宽和平均访问时间分数计算得出的。³。
[图 3. PCMark 10 快速系统驱动器基准测试结果]
PCMark 快速系统驱动器基准测试与 PCMark 全系统驱动器基准测试相似，但测试时间更短，真实世界跟踪数据集也较小。该基准侧重于使用 Microsoft Excel、Adobe Illustrator 和 Adobe Photoshop 对各种类型的文件进行复制操作。与 PCMark 全系统驱动器基准测试相似，PCMark 快速系统驱动器基准测试的分数是根据带宽和平均访问时间分数计算得出的。³
[图 4. PCMark 10 全系统驱动器基准测试结果]
PCMark 快速系统驱动器基准测试的分数显示 Solidigm 670p 优于所有其他测试的固态硬盘和普通硬盘。Solidigm 670p 的性能比西部数据 WD_Black SN750 SE 固态硬盘高出 76%，比三星 980 固态硬盘高出 3%，比英睿达 MX500 固态硬盘高出 231%。Solidigm 670p 的性能轻松超过希捷 BarraCuda 机械硬盘 1,715%。PCMark 全系统驱动器基准测试提供最广泛的真实世界跟踪，以全面评估固态硬盘和机械硬盘的性能。该基准测试旨在测量最常见的 SATA 和 PCIe 接口的性能，它包括 23 个常见的应用程序和任务跟踪，例如启动 Windows、复制各种类型的文件以及使用各种 Adobe 和 Microsoft Office 应用程序。基准测试会根据带宽和平均访问时间分数计算出得分⁴
[图 5. CrystalDiskMark 8 SEQ1M Q1T1 基准测试结果]
在 CrystalDiskMark 基准测试中，Solidigm 670p 的性能大幅超越所有其他驱动器。在 SEQ1M Q1T1 MB/s 测试中，Solidigm SSD 670p 表现：
此外，Solidigm 670p 的性能比希捷机械硬盘快 1,369%。
[图 6. CrystalDiskMark RND4K 基准测试结果]
Solidigm 670p（82 MB/s 和 20,032 IOPS）在 RND4K Q1T1 MB/s 和 IOPS 测试中的表现：
在 RND4K 平均延迟基准测试中，Solidigm 670p 的表现如下：
《最终幻想 14：晓月之终途》官方基准测试旨在衡量《最终幻想 14：晓月之终途》在计算机上的运行情况，但也用于确定和比较整体系统性能。该软件使用该游戏中的地图和人物来确定 PC 的性能分数和平均帧率。在此基准测试中，Solidigm 工程师还测量了应用程序的加载时间。
[图 7. 《最终幻想 14：晓月之终途》官方基准测试结果]
Solidigm 670p 加载基准测试的速度比其他固态硬盘快 1.1% 到近 18%，比机械硬盘快 112%。在整体得分方面，凭借 Solidigm 670p，华硕 Vivobook 的性能比三星固态硬盘和希捷机械硬盘配置分别高出近 4% 至近 5%。
MobileMark 2018 设计用于测量移动设备性能和电池寿命。该软件为多个场景提供基准测试，包括工作效率、创意、网页浏览和电池续航时间：
[图 8. MobileMark 2018 性能鉴定、办公和创作评级]
结果显示，Solidigm 670p 在与其他固态硬盘的对比中整体表现良好，性能较机械硬盘有显著改善。Solidigm 670p 将华硕 VivoBook 的性能质量评级推升至接近组内最高的水平，与西部数据固态硬盘的评级仅存在 3% 的差异。在创作场景评级中，Solidigm 固态硬盘性能与英睿达固态硬盘相同，与其它固态硬盘和机械硬盘相比，则高出 0.14 - 14%。
[图9. MobileMark 2018 网页浏览和电池续航时间评级]
Solidigm 工程师测量了热门办公应用程序的启动时间和样本文件的加载时间。该过程包括右键单击一个与每种应用程序关联的样本文件，并从菜单中选择“打开”。这些应用程序包括 Adobe Photoshop、Adobe Lightroom、Adobe Premiere Pro、Word for Microsoft 365、Excel for Microsoft 365 和 PowerPoint for Microsoft 365。
[图10. Adobe Photoshop、Adobe Lightroom 和 Adobe Premier Pro 启动和文件加载测试结果]
Solidigm 670p 在加载 Adobe 应用程序和示例文件方面的表现优于几乎所有其他的固态硬盘和机械硬盘。在 Adobe Photoshop 方面，Solidigm 670p 的表现比所有固态硬盘高出 4% - 15%，比机械硬盘高出 238%。在 Adobe Lightroom 方面，Solidigm 670p 的表现与其他固态硬盘持平，但比机械硬盘高出 71%。在 Adobe Premiere Pro 方面，Solidigm 670p 的表现也与其他固态硬盘持平，但比机械硬盘高出 274%。
[图 11. Microsoft Word for Microsoft 365、Microsoft Excel for Microsoft 365 和 Microsoft PowerPoint for Microsoft 365 应用程序启动和文件加载时间]
Solidigm 670p 在加载 Microsoft Office 365 应用程序和示例文件时，与其他固态硬盘相比表现良好，并始终优于机械硬盘。在 Word for Microsoft 365 方面，Solidigm 670p 的表现比英睿达固态硬盘高出 23%，比希捷机械硬盘高出 321%。在 Excel for Microsoft 365 方面，Solidigm 670p 的表现与西部数据固态硬盘相当，比英睿达固态硬盘高出 10%，比希捷机械硬盘高出 472%。在 PowerPoint for Microsoft 365 方面，Solidigm 670p 的表现比所有固态硬盘高出 12% - 45%，比希捷机械硬盘高出 534%。在电池耗尽测试中，Solidigm 的工程师开始播放一个高清视频文件，然后以分钟为单位测量电池容量耗尽、笔记本电脑关机为止的时间。测试显示，Solidigm 670p 比西部数据固态硬盘和希捷机械硬盘的运行时间长近 100 分钟，与三星和英睿达固态硬盘的运行时间相近。
[图 12. 电池耗尽测试结果]
Solidigm 670p 利用英特尔 QLC 3D NAND 为典型的家庭和办公室工作负载提供可靠性、性能和价值。
QLC 3D NAND 改进了密度和成本，优于以往类型的 NAND 闪存，因此比 SLC 或 TLC 驱动器具备更优的每 GB 价格。使用 Solidigm 670p，用户可以获得 SLC 类型的速度和性能改进，这都归功于创新的静态和动态 SLC 缓存。Solidigm 670p 极具实际耐用性，非常可靠，例如在使用寿命内每天能够写入超过 100 GB 的数据，即使对于要求最严苛的用户也是绰绰有余。 Solidigm 工程师证明了，Solidigm 670p 在评估混合工作负载的实际应用基准测试中表现良好，性能往往超过了竞争对手的固态硬盘。此外，Solidigm 670p 在每一项基准测试中的表现都超过了机械硬盘，由此证明固态硬盘技术可以带来更快的应用响应时间，有助提高生产力。
欲知详情，请访问 intel.com/content/www/us/en/products/details/memory-storage/consumer-ssds/6-series.html。
¹ Solidigm™ 目前保留这款固态硬盘的英特尔产品品牌。
² 英特尔。“英特尔® 固态硬盘 660p 和 670p 系列产品规格。” http://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/series/213704/intel-ssd-6-series.html. ³ 有关 PCMark 快速系统驱动器基准测试真实跟踪和评分机制的完整讨论，请参见 https://support.benchmarks.ul.com/en/support/solutions/articles/44002171471-quick-system-drive-benchmark。 ⁴ 有关 PCMark 全系统驱动基准真实世界跟踪和评分机制的完整讨论，请参见 https://support.benchmarks.ul.com/en/support/solutions/articles/44002171465-full-system-drive-benchmark. 5 NewCo 工程师使用 CrystalDiskMark 真实性能配置文件，执行读取（+混合）测试，对所有磁盘使用默认设置，并对 NVMe SSD 使用 NVMe SSD 设置。 6 MobileMark 2018 校准系统是一台联想 ThinkPad T480s 笔记本电脑，配备英特尔® 酷睿™ i5-8250U 处理器（4 核、8 线程、6 MB 缓存、1.60 到 3.40 GHz）、14.0 英寸 1920x1080 IPS 防眩光屏幕，250 尼特；8 GB DDR4 2,400 MHz（单通道 1 x 8 GB）内存、集成英特尔 UHD 显卡 620、Windows 10 Pro x64 版本 1803、256 GB M.2 NVMe 三星固态硬盘、3 芯锂离子 57 Wh 电池、英特尔双频 8265 无线 AC (2 x 2) 和蓝牙 4.1，及英特尔 vPro® 技术。该系统搭载全新安装的操作系统。
7 有关 BAPCo MobileMark 2018 方法和结果的详细讨论，请访问 https://bapco.com/wp-content/uploads/2019/10/MobileMark_2018_White_Paper_v1.1.pdf.
8 对于 Adobe Photoshop，该文件是 basics_fundamentals 示例练习文件，大小为 22.4 MB。 对于 Adobe Lightroom，示例文件是 get-started-lightroom-cc，大小为 12.3 MB。对于 Adobe Premiere Pro，使用了 import-file-directly 示例项目，大小为 713 MB。结果是停止时间减去开始时间。有关这些示例文件的信息，请访问https://helpx.adobe.com/photoshop/how-to/ps-basics-fundamentals.html、https://helpx.adobe.com/lightroom-cc/how-to/get-started-lightroom-cc.html 和 https://helpx.adobe.com/premiere-pro/how-to/import-file-directly.html?playlist=/services/playlist.helpx/products:SG_PREMIEREPRO_1_1/learn-path:key-techniques/set-header:import-media/playlist:topic/en_us.json&ref=helpx.adobe.com。对于 Microsoft Word，使用了 Welcome to Word.docx， 文件大小为 700 KB。对于 Microsoft Excel，使用了 Financial Samples.xlsx 文件，大小为 406 KB。对于 Microsoft PowerPoint 而言，使用了 Heavy Equipment Sales.pptx 文件，大小为 21.6 MB。结果是停止时间减去开始时间。性能因用途、配置和其他因素而异。请访问 www.intel.com/PerformanceIndex 了解更多信息。性能结果基于截至配置中显示的日期的测试，可能不会反映所有公开可用的更新。有关配置详细信息，请参见备份。产品或组件皆无法保证绝对安全。您的成本和结果可能会有所不同。英特尔技术可能需要支持的硬件、软件或服务激活。© 英特尔公司。英特尔、英特尔徽标和其他英特尔标志是英特尔公司或其子公司的商标。文中提及的其它名称及品牌可能是属于各自所有者的资产