对当前一些高性能SSD技术的学习

很早以前就从IT资讯中了解到一些高性能的SSD固态硬盘,而且提到的参数里非常显眼的就是读写速度、容量及IOPS。这一方面反映了当前计算系统系统中的瓶颈所在,另一方面也突显出SSD技术是解决计算机速度瓶颈的重要手段。

固态硬盘(Solid State Disk、Solid State Drive,简称SSD,准确的技术称呼应为固态驱动器)是一种基于永久性存储器,如闪存,或非永久性存储器,同步动态随机存取存储器(SDRAM)的计算机外部存储设备。固态硬盘用来在便携式计算机中代替常规硬盘。虽然在固态硬盘中已经没有可以旋转的盘状机构,但是依照人们的命名习惯,这类存储器仍然被称为“硬盘”。

目前SSD硬盘使用两种形式的NAND闪存:单级单元(SLC)和多级单元(MLC)。两者之间的差额是每单元存储的数据量,SLC每单元存储1比特而 MLC每单元存储2比特。关键在于,SLC和MLC占据了相同大小的芯片面积。因此,在同样的价格下,MLC可以有两倍容量的效果。SLC和MLC的擦除性能是一样的,MLC闪存的读取性能需花费两倍长的时间,写入性能需花费四倍长的时间。而SLC的最大优势不在于它的性能好而在于它的使用寿命长。另外SLC因为速度快,使用寿命长,一般被用在企业级SSD上。而MLC则多用在消费级市场。

由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器,再配合适当的控制芯片,就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口。但是SSD并非只能延着传统硬盘的技术发展下去,它的外观,它的硬件电路接口形式,及在软件层面的驱动接口都是有新的方式。

而目前性能指标相当突出的SSD产品莫过于FUSION IO的PCI-E SSD了,这也显示出PCI-E这种高带宽的接口是适用于SSD的。Fusion-io开发出一种管理MLC闪存的新技术SMLC(Single Mode Level Cell),将SLC技术的企业可靠性与消费级MLC闪存结合起来。SMLC技术的带宽与SLC接近,其耐用性和写入性能也可以与SLC媲美,且成本大大低于传统SLC解决方案。

通过从FUSION IO的网站上了解到,其行业领先的ioMemory平台,拥有x4 或x8的PCI Express插槽,而容量160GB到640GB不等,其性能可以达到750 MB/s 的带宽,135,000 IOPs及26µs 的访问延迟。而作为FUSION IO的顶级产品,ioDrive Octal的容量可达10.24TB,6 GB/s 的带宽及1,190,000 IOPs。由此可见SSD技术的发展潜力是相当巨大。如下图所示为FUSION IO公司的SSD产品

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而最近国内有一家初创的固态存储公司忆恒创源科技有限公司也吸引了大众的目光,其致力于研发业界速度最快的PCIE 固态硬盘,并推出了第一代新型PCIE SSD产品PBlaze,传输速度每秒1.5GB,IOPS-332K。随机访问性能相当于几十块SATA接口SSD,或者是几千块机械硬盘。其在接口上同样使用PCIE方式,由此可见PCIE技术将来会大量的应用在SSD中。

像PCIE 这样的接口显然能解决多通路闪存系统的带宽问题,而且还具备了更多的性能优势。因为PCIE 设备是与主总线直接相连的,省去了和传统存储基础配置有关的结构层。所以PCIE SSD具备的基本功能可以实现:顶层OEM把PCIE SSD放入服务器的同时也相当于把它放进了存储序列,从而建立了层叠式存储系统,提高应用程序的速度的同时还降低了每IOPS成本。这也促使了新的NVME技术的出现。NVM Express(简称NVMe)是一个针对PCIE SSD的主机控制芯片接口标准,这就是说它只规范SSD控制器与操作系统之间的通信连接,而与如何控制闪存一侧无关。对比统一的SATA连接的AHCI(高级主机控制器接口)标准,NVM Express的优势一目了然,如下图所示:

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NVMe 最终将使PCIE SSD拥有即插即用功能。而由全行业80多家公司联合开发的NVMe 1.0已于2011年3月由NVMHCI工作组(现在更常被称为NVMe工作组)投放市场。在NVMe 1.0中为PCIE SSD定义了一个优化的寄存器接口,命令集和功能集。目的是帮助PCIE SSD得到更广泛的认可,并提供一个可扩展的接口以充分挖掘SSD技术现在以及未来的潜在价值。而现在的NVMe1.1已经对NVMe 技术进行了专门优化,如写零指令、数据拷贝指令及启用多路访问,以配合多内核系统,实现其多线运作,而且每条线上都可激活I/O操作。事实上,优化只是针对方案进行的,IT管理者希望通过方案的优化提高IOPS。NVMe可以支持多到64k I/O的队列,并且每队列中有多达64K的命令。每个处理器内核都可以执行自己队列的操作。为了推动基于PCIE SSDs的NVMe 标准得到更为广泛的认可。Cisco, Dell, EMC, IDT, Intel, NetApp和Oracle 等7家行业领头企业将引领NVMe事会的长期固定席位。

由此我们没有理由不畅想未来的SSD技术的发展将在计算系统结构中的影响,甚至会改变计算机的系统结构。

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