固態(tài)硬盤現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

固態(tài)硬盤(SSD)似乎無(wú)所不能：存儲(chǔ)容量高達(dá)512 GB，高性能，低功耗和熱量，高效率以及難以置信的物理耐久性。在日常工作中，固態(tài)硬盤似乎十分完美。但是，它還是存在一些缺陷。在固態(tài)硬盤技術(shù)進(jìn)入家庭和企業(yè)的各種應(yīng)用程序之前，你需要了解更多固態(tài)硬盤的細(xì)節(jié)信息。

固態(tài)硬盤市場(chǎng)

首先，我們細(xì)分一下市場(chǎng)。我們可以根據(jù)低成本、主流產(chǎn)品和高端產(chǎn)品來(lái)劃分，另一個(gè)劃分方法就是消費(fèi)者級(jí)產(chǎn)品和企業(yè)級(jí)產(chǎn)品，就像客戶端和服務(wù)器。

企業(yè)級(jí)產(chǎn)品通常在零售店找不到，因?yàn)檫@些產(chǎn)品主要針對(duì)大型服務(wù)器和具有大規(guī)模系統(tǒng)的存儲(chǔ)公司。SSD制造商，如三星、英特爾、Micron和東芝，通常為解決方案供應(yīng)商提供特殊支持。三星公司最近宣布與希捷公司建立合作關(guān)系來(lái)共同打造企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤。顯然，傳統(tǒng)磁盤和尖端硅存儲(chǔ)世界已經(jīng)“打成一片”。

趨勢(shì)和發(fā)展

雖然固態(tài)硬盤的性能水平和效率迅速發(fā)展，但容量卻裹足不前，這主要是由于NAND比特密度發(fā)展緩慢。智能手機(jī)界的巨大需求拖慢了固態(tài)硬盤在PC環(huán)境的發(fā)展，并且期待已久的3 bit單元閃存也比預(yù)期緩慢，而且似乎這種閃存也并不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)帶來(lái)容量升級(jí)。

因此，與傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器相比，固態(tài)硬盤在存儲(chǔ)市場(chǎng)占有的市場(chǎng)份額仍然不多。但是固態(tài)硬盤在2010年發(fā)展迅速，入門級(jí)產(chǎn)品價(jià)格下降到99美元以下，而在企業(yè)產(chǎn)品方面， McKinsey & Company在2008年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心消耗了世界能源的0.5%，制造的二氧化碳排放量比整個(gè)阿根廷還多。EPA估計(jì)到2011年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心功耗將達(dá)到3%,這使得對(duì)固態(tài)硬盤的呼聲越來(lái)越高。

縱覽

雖然企業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)SSD的規(guī)格差別不大，但是選擇正確的驅(qū)動(dòng)器或者合適的環(huán)境是非常重要的。我們將看看SSD是如何運(yùn)作的，它們能為你做什么，在部署SSD時(shí)你應(yīng)該注意什么，你的企業(yè)會(huì)受到什么影響以及如何做出正確的購(gòu)買決定。

對(duì)于本文中討論的內(nèi)部固態(tài)硬盤，閃存和控制器被安裝到印制電路板(即Printed Circuit Board,簡(jiǎn)稱PCB)上，并打包成一個(gè)小機(jī)箱，大家都知道，通常是1.8”、 2.5”或者3.5”的規(guī)格。這些可以安裝到電腦、筆記本電腦或者某些機(jī)架式服務(wù)器環(huán)境。事實(shí)上，閃存固態(tài)硬盤與硬盤驅(qū)動(dòng)器十分類似，只是沒(méi)有移動(dòng)部件，重量更輕。另外，現(xiàn)代固態(tài)硬盤只需要很少的冷卻。大多數(shù)固態(tài)硬盤采用2.5”外殼，并利用3Gb/s或 6Gb/s接口速度。

MLC和SLC NAND閃存

所有閃存固態(tài)硬盤產(chǎn)品都是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單層單元(SLC)或者多層單元(MLC)NAND閃存，每個(gè)單元能夠存儲(chǔ)一個(gè)bit或者多個(gè)bit數(shù)據(jù)。SLC單元每個(gè)晶體管提供的容量要比MLC小，但是具有更高的寫入性能和數(shù)據(jù)持久性。

現(xiàn)代控制器架構(gòu)

所有固態(tài)硬盤設(shè)計(jì)都是基于閃存控制器，這種控制器驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)電路，并通過(guò)串行ATA連接到主機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)利用了控制器的“大腦”來(lái)解決各種需求。 例如，通過(guò)損耗均衡算法來(lái)處理數(shù)據(jù)持久性，確保閃存單元利用率盡可能的均衡，從而最大限度地提高設(shè)備壽命。性能優(yōu)化主要通過(guò)多個(gè)閃存通道、負(fù)載均衡和不同 的緩存方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有些控制器還具有集成緩存，其他則是單獨(dú)的DRAM內(nèi)存芯片，還有一些則是利用跨越多個(gè)通道的閃存來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)重組。

趨勢(shì)：Toggle DDR NAND閃存

三星公司幾個(gè)月前推出了Toggle DDR NAND閃存產(chǎn)品，這種閃存技術(shù)旨在內(nèi)存信號(hào)的上升沿和下降沿期間傳輸數(shù)據(jù)，與DDR DRAM很類似。這種方法剛剛在企業(yè)市場(chǎng)推出，相信很快將出現(xiàn)在消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤中。Toggle DDR的主要優(yōu)勢(shì)在于每通道帶寬從40Mb/s增至66到133 Mb/s。使用這種新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器將不會(huì)采用更快的峰值帶寬，而是會(huì)嘗試最大化3Gb/s的SATA II性能，同事進(jìn)一步降低功耗，我們將在下文中解釋這樣做的重要性。

SSD性能、功耗和業(yè)務(wù)指標(biāo)全衡量

在購(gòu)買固態(tài)硬盤前，尤其是當(dāng)你需要為服務(wù)器購(gòu)買大量驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須研讀產(chǎn)品評(píng)測(cè)信息并進(jìn)行對(duì)比。

所有制造商都承諾230+ MB/s和180+ MB/s的讀取和寫入吞吐量，以及每秒數(shù)以千計(jì)的I/O操作。雖然大多數(shù)產(chǎn)品在最佳性能表現(xiàn)情況下，都能夠達(dá)到這些數(shù)字，但是最低值和平均性能值卻非常 低。也就是說(shuō)，你最好根據(jù)最低值來(lái)考慮，以避免業(yè)務(wù)環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題。另外，通常寫入值在200Mb/s左右的驅(qū)動(dòng)器對(duì)于高性能環(huán)境也并不適合，即使它可能會(huì) 下降到40Mb/s。

I / O為我們帶來(lái)美好的數(shù)字生活

其實(shí)，固態(tài)硬盤讀取速率是否能達(dá)到220或者250Mb/s，或者寫入速度達(dá)到210或者180Mb/s并不重要。只有發(fā)燒友才看得出差異。在企業(yè)環(huán)境，每秒I/O操作數(shù)量比吞吐量更能說(shuō)明固態(tài)硬盤的差異。

如果你想的是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)登錄web服務(wù)的用戶數(shù)量，你會(huì)發(fā)現(xiàn)我們討論的I/O幾乎不計(jì)其數(shù)。例如，F(xiàn)acebook號(hào)稱擁有400萬(wàn)活躍用戶，每個(gè) 用戶的登錄請(qǐng)求都會(huì)觸發(fā)很多讀取和寫入操作。盡管流量如此巨大，我們?nèi)匀幌Ｍ軌驅(qū)λ悬c(diǎn)擊和請(qǐng)求作出快速反應(yīng)?，F(xiàn)在讓我們看看這些數(shù)字足印：各種網(wǎng)站的 登錄、分析、跟蹤、其他用戶的轉(zhuǎn)帖等等。面對(duì)如此多數(shù)據(jù)，我們需要固態(tài)硬盤級(jí)的性能才能處理這些數(shù)據(jù)。

功耗

功耗也是同樣的思路。當(dāng)隨著固態(tài)硬盤升級(jí)到下一代時(shí)，誰(shuí)會(huì)在乎小于0.1瓦的閑置功耗上升到2瓦到1.5瓦?但是從全球視角來(lái)看，特別是數(shù)據(jù)中心， 每瓦特都會(huì)帶來(lái)不小影響。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示，2009年服務(wù)器銷售額為42.4億美元，而運(yùn)行這些服務(wù)器的功耗成本為326億美元。而且，數(shù)據(jù)中心硬件 需要 2.5瓦額外電源用于冷卻。

何去何從?

過(guò)去，企業(yè)會(huì)關(guān)注每美元帶來(lái)的GB或者性能，現(xiàn)在企業(yè)對(duì)每美元對(duì)等的I/O或每瓦的I/O(有時(shí)候每瓦特的GB數(shù)量)更感興趣。很明顯，這種指標(biāo)更有利于固態(tài)硬盤。最重要的是，在無(wú)需物理擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心本身的前提下。擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心性能和容量。

業(yè)務(wù)指標(biāo)

讓我們來(lái)看看這些指標(biāo)。如果你從來(lái)沒(méi)有研究過(guò)固態(tài)硬盤和硬盤驅(qū)動(dòng)器之間的差異，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這種對(duì)比很驚人。

本文中，我們不想評(píng)論每瓦特的GB數(shù)量，因?yàn)槿萘颗c這方面并不相關(guān)。我們想指出固態(tài)硬盤每個(gè)驅(qū)動(dòng)器提供高達(dá)512GB的可用容量，與300GB和 600GB 2.5英寸企業(yè)級(jí)硬盤驅(qū)動(dòng)器的最高容量相匹配。在最大I/O情況(容量不計(jì)其數(shù))，64GB SSD甚至比73GB 企業(yè)級(jí)HDD更便宜。因此，對(duì)于I/O密集型應(yīng)用程序，固態(tài)硬盤在成本和性能方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于固態(tài)硬盤每美元I/O操作和每瓦特I/O操作，并不具有可比性，因?yàn)楣虘B(tài)硬盤在消耗一小部分功耗時(shí)，通常比硬盤驅(qū)動(dòng)器快得多。硬盤驅(qū)動(dòng)器通常提供每秒100和400的I/O操作，這取決于塊大小和隨機(jī)/連續(xù)訪問(wèn)。固態(tài)硬盤每秒可達(dá)五位數(shù)I/O操作。

話句話說(shuō)，每GB的固態(tài)硬盤成本與HDD不相上下，而固態(tài)硬盤遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了硬盤驅(qū)動(dòng)器。實(shí)際上，你可以部署一個(gè)單一的固態(tài)硬盤來(lái)取代幾十個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器的 I/O性能，或者使用固態(tài)硬盤取代一定量的硬盤驅(qū)動(dòng)器，提高性能的同時(shí)，還降低了功耗。另外，固態(tài)硬盤還能夠顯著降低冷卻需求。

部署SSD的性能限制、缺陷及建議

在過(guò)渡到固態(tài)硬盤時(shí)，有幾個(gè)因素必須考慮。

RAID支持

從技術(shù)上講，使用合適的控制器，所有SATA驅(qū)動(dòng)器都可以用于RAID陣列。不過(guò)，有些產(chǎn)品在RAID配置中無(wú)法提供預(yù)期的性能水平。這往往是固件 問(wèn)題，但盡管如此在檢查具體SSD產(chǎn)品前應(yīng)該對(duì)固件進(jìn)行檢查。有時(shí)候，由于不完全的AHCI支持，TRIM功能在RAID配置中無(wú)法使用。

碎片整理

硬盤驅(qū)動(dòng)器需要定期進(jìn)行碎片整理以確保經(jīng)常使用的文件的可用性，以及確保較大文件沒(méi)有分散在各處，這增加了檢索的時(shí)間。硬盤驅(qū)動(dòng)器需要經(jīng)常性地連續(xù) 讀取和寫入，因?yàn)閔ead物理移動(dòng)會(huì)帶來(lái)延遲。這對(duì)于SSD并不是問(wèn)題，因?yàn)閿?shù)據(jù)由SSD控制器進(jìn)行分布。將碎片整理工具引入SSD將會(huì)適得其反，不會(huì)帶 來(lái)任何優(yōu)勢(shì)，還會(huì)損壞閃存單元。

TRIM支持

操作系統(tǒng)使用TRIM功能來(lái)通知SSD數(shù)據(jù)塊被刪除，可以接收新數(shù)據(jù)。這可以讓SSD優(yōu)化寫入，同時(shí)保持最大寫入性能和優(yōu)化損耗均衡。這個(gè)操作是內(nèi) 部進(jìn)行的，當(dāng)由文件操作系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，將更有效。TRIM需要SSD固件和操作系統(tǒng)的支持，驅(qū)動(dòng)器和存儲(chǔ)控制器還必須支持AHCI。這通常意味著需要使用 Windows 7或 Windows Server 2008 R2、 Linux kernel 2.6.33或FreeBSD 9。較舊系統(tǒng)版本不能支持TRIM，否則會(huì)嚴(yán)重影響寫入性能。

具有固件02HA及以上的Intel SSD，Indilinx 1819及以上，所有Jmicron 612和618設(shè)備，具有硬件0002的Marvell硬件，所有SandForce設(shè)備，三星的VBM19C1Q固件，所有三星470 SSD都支持TRIM功能。Crystal Disk Info對(duì)固件和SSD檢查提供很大幫助。

展望

市面上充斥著各種針對(duì)電腦和筆記本的SSD產(chǎn)品。很多提供不錯(cuò)的性能，如果你有windos 7系統(tǒng)，并且愿意支付至少300美元，那么有什么理由不購(gòu)買SSD來(lái)取代你的硬盤驅(qū)動(dòng)?你很快會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的差異。

而對(duì)于企業(yè)而言，轉(zhuǎn)向固態(tài)存儲(chǔ)需要更全面的業(yè)務(wù)計(jì)劃，而且SSD未必是企業(yè)環(huán)境的最佳選擇。在查看產(chǎn)品評(píng)測(cè)信息時(shí)，請(qǐng)注意最低性能測(cè)試結(jié)果，這樣才 能確保你的系統(tǒng)保持所需要的性能水平。檢查RAID支持、AHCI和TRIM的支持情況。請(qǐng)確保你的系統(tǒng)足以利用SSD解決方案的最大優(yōu)勢(shì)，否則你會(huì)遇到 很多自找的麻煩。

在克服所有障礙后，你可以檢查一些關(guān)鍵指標(biāo)，例如每美元I/O數(shù)量，每瓦特I/O數(shù)量，以獲得成本方面的參考信息。從這個(gè)角度來(lái)看，你很快會(huì)意識(shí)到，在I/O密集型環(huán)境，SSD最合適不過(guò)。困難在于找到合適的方式將SSD引入企業(yè)環(huán)境，同時(shí)遵守合規(guī)要求。

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