謝長(zhǎng)生的演講從主流存儲(chǔ)演變的歷史視角，為聽眾盤點(diǎn)了自人類出現(xiàn)以來，各種主流存儲(chǔ)介質(zhì)及其發(fā)展軌跡。從光存儲(chǔ)到現(xiàn)在的磁存儲(chǔ)，再到電存儲(chǔ)即閃存。閃存將在2020年左右成為主流，并有超過60%的信息都將存儲(chǔ)在閃存上。

他還指出，我們要正確認(rèn)識(shí)閃存成為主流存儲(chǔ)介質(zhì)即將遇到的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以及意識(shí)到閃存對(duì)技術(shù)架構(gòu)和軟件生態(tài)的改變。謝長(zhǎng)生建議，圍繞3D NAND芯片構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)鏈，只有上下有互動(dòng)，才能促進(jìn)核心技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，前沿研究和技術(shù)開發(fā)結(jié)合，加強(qiáng)高校與企業(yè)的合作，建立針對(duì)閃存產(chǎn)業(yè)連的公共測(cè)試服務(wù)平臺(tái)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)上取得話語權(quán)，中國(guó)有機(jī)會(huì)，有責(zé)任在閃存技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

以下為謝長(zhǎng)生先生的演講實(shí)錄：

大家好，我來自華中科技大學(xué)信息存儲(chǔ)教育系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，我們的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室有40年的歷史，是一個(gè)學(xué)術(shù)研究和人才培養(yǎng)的單位。我們研究各種存儲(chǔ)技術(shù)，如光存儲(chǔ)、閃存系統(tǒng)等研究。我們這個(gè)單位有50多位老師，300多位研究生組成，是一個(gè)具備國(guó)際水準(zhǔn)的高校研究生團(tuán)隊(duì)。我們的學(xué)校坐落在武漢，另外，有一個(gè)投資240億元的閃存基地也在武漢。

今天我演講題目是“迎接主流存儲(chǔ)的閃存時(shí)代”。主流存儲(chǔ)是在變的，我們要迎接閃存時(shí)代的到來，就需要了解什么時(shí)候是主流。這也是我今天主要闡述的問題。

我們看一下這個(gè)圖，這個(gè)河流有主流也有很多分支，河水的主要流量都集中在主流部分。那么，我們先來下一個(gè)定義，那就是什么主流存儲(chǔ)建設(shè)？那就是現(xiàn)有的條件，除人腦之類，人腦使用某種存儲(chǔ)介質(zhì)保存信息的總量如果超過60%，那么這種存儲(chǔ)介質(zhì)就稱為主流存儲(chǔ)介質(zhì)?；仡櫄v史，出現(xiàn)過很多不同的主流存儲(chǔ)介質(zhì)。

最早的主流存儲(chǔ)介質(zhì)是石刻，大約出現(xiàn)在4萬年前的西班牙某個(gè)半島上，也是人類最早在石頭上留下的痕跡。在我國(guó)寧夏的大麥地，1萬多年前也有這種文字出現(xiàn)，石刻是人類最具價(jià)值的研究領(lǐng)域。我曾在盧浮宮見過非常有價(jià)值的，有幾百條法律的石刻，是300年前由石頭記錄下來。中國(guó)早期的主流介質(zhì)就是竹簡(jiǎn)，我們國(guó)家大概使用了800年。雖然在世界范圍內(nèi)沒有很廣泛的流行，但是對(duì)我們中國(guó)非常重要。那個(gè)時(shí)期正好是老子、荀子、屈原那個(gè)時(shí)代，正好記錄了咱們國(guó)家思想的高峰。如果沒有竹簡(jiǎn)，中國(guó)最高峰時(shí)期的思想沒有辦法被記錄下來，因此竹簡(jiǎn)對(duì)我們中華民族做出了巨大貢獻(xiàn)。中華民族思想最高峰也就出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)期，后面就沒有再出現(xiàn)。

早在5000年前的埃及就有莎草紙，古歐洲是羊皮紙，是將麻打成紙漿制成紙張，這也是中華民族對(duì)世界最大的貢獻(xiàn)。這個(gè)歷史我們稍微回顧一下，上面講石頭、紙、竹簡(jiǎn)等等，可以在上面刻字和這個(gè)是一回事，這個(gè)是用光反射。其實(shí)這就是一個(gè)光存儲(chǔ)，現(xiàn)在看到的竹簡(jiǎn)主要是在白的地方、黑的地方反射不一樣，才能辨識(shí)得出來。現(xiàn)在的藍(lán)光技術(shù)也是一種技術(shù)突破，就是在最近幾年形成的，它屬于冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。日本公司已經(jīng)將其產(chǎn)業(yè)化，冷數(shù)據(jù)有很大的存儲(chǔ)量，能耗低。光存儲(chǔ)這幾年有很大突破，澳大利亞斯威本大學(xué)提出突破衍射極限的超分辨光存儲(chǔ)，可以把這種密度大大提高。突破衍射技術(shù)在2014年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，可以達(dá)到100TB的存儲(chǔ)容量。

第三個(gè)是英國(guó)南開普頓大學(xué)，實(shí)現(xiàn)通過玻璃介質(zhì)永久保存數(shù)據(jù)。在1000度以下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，可以做到信息不丟失，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的是我們學(xué)院的一個(gè)學(xué)生，并以此開始創(chuàng)業(yè)。

進(jìn)入數(shù)字時(shí)代以后，當(dāng)前的主流存儲(chǔ)是磁存儲(chǔ)，磁存儲(chǔ)發(fā)明很早，1878年就出現(xiàn)了。1920年德國(guó)把薄鋼片用于記錄聲音進(jìn)行廣播，1956年IBM發(fā)明了第一個(gè)硬盤。實(shí)際上這個(gè)硬盤在我們個(gè)人電腦、服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)中心中都在被大量使用。而且目前還是我們的主流存儲(chǔ)，我們來看一下第一臺(tái)硬盤，是這么大一個(gè)東西容量只有5MB，今天很小的一塊硬盤已經(jīng)達(dá)到10TB容量，這是一個(gè)巨大的成就。1956-2006年，今年正好是硬盤發(fā)明60年，這個(gè)成就非常驚人。1956年是2000bit/in2，面積速度提高5億倍，“60年5億倍”這個(gè)成就是非常驚人的成就。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的信息目前還存放在硬盤之中，硬盤仍是當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代的主力。2007年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是因?yàn)榫薮抛栊?yīng)在硬盤中得到應(yīng)用。而現(xiàn)在，磁存儲(chǔ)已經(jīng)接近了物理極限，發(fā)展變得很艱難。面對(duì)這一問題，我們有三個(gè)解決方案：分別是能量輔助，瓦記錄和圖案化記錄。這三種技術(shù)單獨(dú)使用只能提高5倍，如果綜合使用可以提高10倍，但目前實(shí)現(xiàn)難度還很大。由于現(xiàn)在閃存發(fā)展太快，還等不到硬盤進(jìn)入這個(gè)實(shí)踐，就已經(jīng)被閃存超越了。而且，硬盤的機(jī)械延時(shí)不可消除。

下面我想為大家分享一下閃存成為主流存儲(chǔ)的三大驅(qū)動(dòng)力，首先是新的應(yīng)用已經(jīng)爆發(fā)性增長(zhǎng)，這種新的應(yīng)用只能用閃存，不能用硬盤。比如我們的手機(jī)是不可能放硬盤進(jìn)去的，目前世界上已經(jīng)有40億部手機(jī)，到2020年還會(huì)增加20億。5G時(shí)代已經(jīng)到來，下載視頻是非常容易的事情，那么以后5G手機(jī)下載視頻就非常容易?，F(xiàn)在手機(jī)最高容量已經(jīng)是128G，馬上就要到512Ｇ，最后到１TB。試想一下，60億手機(jī)，就是6ZB。預(yù)計(jì)到2020年，全世界數(shù)據(jù)量將達(dá)到40ZB，手機(jī)就占到15%，這個(gè)應(yīng)用是完全新增出來的。

再看現(xiàn)在的智能汽車，也能達(dá)到數(shù)百萬臺(tái)的新容量。還有無人機(jī)、智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)，這些都不能用硬盤。而是被閃存行業(yè)壟斷。

第二個(gè)驅(qū)動(dòng)力是大型數(shù)據(jù)中心對(duì)性能的要求越來越高。硬盤已經(jīng)很難滿足大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析需求，更需要速度。數(shù)據(jù)中心對(duì)能耗的考慮也要求更換硬盤為固態(tài)盤。
第三個(gè)驅(qū)動(dòng)就是價(jià)格，閃存價(jià)格持續(xù)下跌。2022年左右將與磁介質(zhì)持平，并全面替代硬盤。

第一條綠線是閃存下降趨勢(shì)，第二線橘色的是硬盤下降趨勢(shì)，第三條藍(lán)色線是磁帶。這些下降趨勢(shì)應(yīng)該都會(huì)提前，因?yàn)殡S著工業(yè)的進(jìn)步實(shí)際上的發(fā)展會(huì)快于預(yù)期，我個(gè)人的估計(jì)是2020年左右就會(huì)持平。

性能方面，閃存每年有40%的增加，硬盤在性能方面是具有劣勢(shì)的。如果要繼續(xù)降低閃存介質(zhì)成本的話有三個(gè)途徑，制程升級(jí)、多級(jí)化、3D NAND技術(shù)。SLC、MLC、TLC、QLC技術(shù)相應(yīng)提高，價(jià)格也慢慢降低了。3D NAND技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室也在致力于128層堆疊的研究。
目前幾大主流廠商，如三星、東芝、海力士、美光。三星從2013年逐漸開始?jí)汛?，現(xiàn)在到64層，多級(jí)是TLC、現(xiàn)在是QLC馬上要出3D，價(jià)格就會(huì)下降很多。

下面我想跟各位分享一下閃存時(shí)代的技術(shù)挑戰(zhàn)和機(jī)遇。第一個(gè)問題是存儲(chǔ)顆粒層次，這個(gè)層次除了剛才說的三個(gè)措施以外，還需要很多的經(jīng)驗(yàn)積累，我們的實(shí)驗(yàn)室曾測(cè)試過幾個(gè)不同廠家的顆粒，其顆粒內(nèi)部每個(gè)塊的性能都是有差異的。

第二個(gè)是固態(tài)盤控制器層次，關(guān)鍵是控制器的設(shè)計(jì)，這個(gè)控制器的設(shè)計(jì)其實(shí)是一個(gè)非常復(fù)雜的事情，是一個(gè)需要?jiǎng)雍芏嗄X筋的事情。雖然從性價(jià)比來看，閃存顆粒是一個(gè)非常理想的存儲(chǔ)介質(zhì)，但其存儲(chǔ)原理并不是一個(gè)簡(jiǎn)潔優(yōu)美的過程。因此，如果沒有很好的控制器設(shè)計(jì)彌補(bǔ)原理上缺陷，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將是不可靠的。

控制器設(shè)計(jì)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的工作，第一是介質(zhì)管理/信號(hào)處理問題，解決顆粒的原理導(dǎo)致的耐磨性和耐久性問題。第二個(gè)是糾錯(cuò)能力強(qiáng)的ECC算法，工藝越先進(jìn)，誤碼率越高，需要更強(qiáng)大的糾錯(cuò)編碼，解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性問題。

有一些數(shù)據(jù)放置策略、管理調(diào)度算法研究與設(shè)計(jì)，解決與放大、性能抖動(dòng)等問題。

我們測(cè)試過一些產(chǎn)品，具體過程是這樣的，先把盤寫滿，新盤的時(shí)候大家看不出來，但是寫滿的時(shí)候，只要垃圾回收一開始運(yùn)作，就可以看出差別。慢慢有很多新的抖動(dòng)，到這里下來，有時(shí)候下降的很快，很多時(shí)候資源占用下降很厲害。如果設(shè)計(jì)的好，這個(gè)性能下降就會(huì)很明顯。還有一些廠商設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，這個(gè)延遲時(shí)間小于100微秒，有的甚至到毫秒。還有很多細(xì)節(jié)，如果這邊是11和10的時(shí)候，這時(shí)候?qū)懙木幋a也有很大的影響，這個(gè)細(xì)節(jié)實(shí)際是我們需要注意的。

第三個(gè)挑戰(zhàn)是全閃存陣列層面。我們會(huì)關(guān)注硬盤和固態(tài)硬盤的差別，陣列軟硬件設(shè)計(jì)需要充分考慮閃存介質(zhì)特征。由于固態(tài)盤的失效預(yù)測(cè)比硬盤準(zhǔn)確得多，可以采用預(yù)警遷移技術(shù)，使陣列的數(shù)據(jù)在失效前轉(zhuǎn)移到新的盤上或新的塊上，從損壞重構(gòu)的模式變到預(yù)警遷移模式，會(huì)大大提高盤陣的可用性。再一個(gè)把計(jì)算放到閃存里面，這個(gè)可以克服瓶頸。
軟件層面來看，傳統(tǒng)的系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都是根據(jù)磁盤的特性設(shè)計(jì)的，改用固態(tài)盤后，特性很多都不一樣了，需要針對(duì)固態(tài)盤重新設(shè)計(jì)，否則會(huì)浪費(fèi)固態(tài)盤的性能，有時(shí)還會(huì)帶來負(fù)面的影響。硬盤時(shí)代，協(xié)議棧的開銷與機(jī)械延遲開銷相比可以忽略，而閃存時(shí)代，協(xié)議棧的開銷就顯得比例過大，開發(fā)輕量級(jí)協(xié)議棧就顯得非常必要。

最后，我想講一下中國(guó)的閃存其實(shí)是有很大機(jī)會(huì)的，硬盤時(shí)期的機(jī)會(huì)已經(jīng)錯(cuò)過，閃存時(shí)代機(jī)會(huì)很大，因?yàn)榧呻娐?、半?dǎo)體、軟件、硬件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累已經(jīng)非常不錯(cuò)，特別是在陣列方面已經(jīng)有十幾年的經(jīng)驗(yàn)積累。應(yīng)該說這個(gè)基礎(chǔ)比較好了，缺的是閃存顆粒，現(xiàn)在中國(guó)的國(guó)力，使我們有能力投資閃存顆粒制造企業(yè)?，F(xiàn)在武漢新芯和長(zhǎng)江存儲(chǔ)數(shù)百億美金的投入就是典型的案例，如果運(yùn)營(yíng)得當(dāng)，有可能會(huì)成為世界第五家閃存芯片制造巨頭之一。閃存顆粒的國(guó)產(chǎn)化將刺激下游產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，我們建議圍繞芯片來部署全閃存產(chǎn)業(yè)鏈?，F(xiàn)在芯片出來，我們要根據(jù)它定制控制器，設(shè)計(jì)我們的全產(chǎn)業(yè)鏈，設(shè)計(jì)我們的數(shù)據(jù)中心，這樣我們就可以把這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈建立起來。

還有公共平臺(tái)的建設(shè)，比如測(cè)試平臺(tái)。我們這個(gè)單位希望為行業(yè)做一個(gè)公正性的第三方測(cè)試中心，可以為各個(gè)廠商的不同的設(shè)備和陣列做一個(gè)評(píng)測(cè)。

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