SSD應(yīng)該如何使用

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固態(tài)硬盤（SSD）讓企業(yè)界非常興奮，其主要原因在于其速度快。雖然SSD每GB的價(jià)格與普通硬盤（HDD）相比高得令人咂舌，但在某些情況下，SSD卻要比HDD省錢。SSD有可能更適合那些需要用數(shù)量眾多的HDD來提升存儲系統(tǒng)總體I/O性能的場合。在許多情況下，僅一塊SSD就能提供比一組企業(yè)級HDD快得多的速度，并以合理的價(jià)格提供足夠的存儲容量。

不過，企業(yè)級SSD的價(jià)格還是很貴，單價(jià)從數(shù)千美元到數(shù)十萬美元不等。這阻礙了IT管理人員和原始設(shè)備制造商（OEM）想把SSD普遍用于數(shù)據(jù)中心的熱情，促使他們考慮把數(shù)量很有限的SSD用到數(shù)據(jù)中心的什么地方最合適，是服務(wù)器里還是存儲陣列里。

SSD與HDD

圖1顯示了計(jì)算系統(tǒng)的存儲層次體系。該圖表從帶寬和每GB成本的角度，對存儲層次體系的不同部分所在位置做了大致描述。我們使用重對數(shù)圖表格式來幫助發(fā)掘可能會隱藏的所有數(shù)據(jù)——要是用線性標(biāo)度來表述性能或成本，有些數(shù)據(jù)會隱藏起來。三個(gè)標(biāo)為L1、L2和L3的橢圓形代表處理器里面或外圍的三種可能的高速緩存層。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）的性能與HDD的性能存在非常大的差距，這導(dǎo)致多年來需要彌補(bǔ)的差異日漸拉大。雖然企業(yè)級HDD位于圖1中HDD橢圓形的頂端，但它提供了一種成本相對較高的方式來接近DRAM橢圓形的底端。因此，出現(xiàn)了基于閃存的SSD，這種經(jīng)濟(jì)高效的方式可彌補(bǔ)這個(gè)差距。

由于近年來NAND每GB的價(jià)格已降到低于DRAM，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員一直在尋找有意義的方式來充分利用這項(xiàng)技術(shù)，以便在降低成本的同時(shí)可以改善計(jì)算機(jī)的性能。閃存SSD正是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的一條途徑。雖然NAND閃存的速度不及DRAM，但卻超過HDD。NAND的價(jià)格比DRAM便宜，但比HDD來得貴。因而，這項(xiàng)技術(shù)適合彌補(bǔ)高容量HDD與DRAM之間的性能差距。

基于閃存的SSD對企業(yè)級HDD構(gòu)成了重大威脅，許多OEM廠商和IT管理人員預(yù)計(jì)將來的系統(tǒng)會使用SSD（實(shí)現(xiàn)高速）結(jié)合低價(jià)格高容量的HDD（實(shí)現(xiàn)海量存儲）來構(gòu)建，從而跳過了原本可以在低價(jià)HDD與DRAM之間找到立足之地的企業(yè)級HDD。

最近，一批閃存SSD生產(chǎn)商推出了滿足服務(wù)器OEM廠商的需求、價(jià)格又讓人滿意的設(shè)備。它們目前的產(chǎn)品價(jià)格還很貴（單價(jià)超過3000美元），主要用來替換成本高昂的短行程（short-stroked）企業(yè)級HDD陣列（短行程這項(xiàng)技術(shù)是指，編程人員只使用HDD上的幾個(gè)鄰近磁道，忽略硬盤上的其余磁道，從而設(shè)法盡量減少HDD的磁頭運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而盡量縮短訪問時(shí)間。）

盡管短行程硬盤只訪問一小部分可用磁盤空間，但從磁盤讀取數(shù)據(jù)的速度卻比平?？斓枚唷？梢圆捎眠@種方法，做到讓幾十IOPS的磁盤以幾百IOPS的速度提供數(shù)據(jù)。在某些情況下，用戶們覺得采用這種折衷方法是值得的。如今市面上的一個(gè)短行程系統(tǒng)使用53TB的HDD只能提供9TB的可用空間。

EMC公司最近對使用SSD的Symmetrix陣列與標(biāo)準(zhǔn)的純HDD高性能存儲陣列配置做了對比。標(biāo)準(zhǔn)配置用244個(gè)300GB容量、15000轉(zhuǎn)的光纖通道HDD構(gòu)建而成?；赟SD的系統(tǒng)只用了136個(gè)同樣的300GB光纖通道HDD，但是添加了32個(gè)1TB的標(biāo)準(zhǔn)SATA硬盤來擴(kuò)增容量和8個(gè)73GB的固態(tài)硬盤來存儲對速度最敏感的數(shù)據(jù)。結(jié)果，使用SSD的陣列在硬盤數(shù)量少用26%的情況下，提供的IOPS高出60%。系統(tǒng)所需的耗電量比純HDD系統(tǒng)少21%，成本低17%。

如今的企業(yè)級閃存SSD大多號稱可提供幾萬IOPS，也就是說，速度比短行程HDD快100倍左右。固態(tài)硬盤的較高帶寬，加上短行程HDD實(shí)際使用的非常小的容量，常常有望為SSD取代一組HDD提供機(jī)會。只要SSD的容量與短行程HDD中所用的容量一樣大，只要SSD的帶寬與HDD陣列的帶寬相匹配，價(jià)格又不相上下，SSD就有望提供一種HDD陣列之外的更經(jīng)濟(jì)高效的選擇。

DRAM固態(tài)硬盤

多年來，好幾家公司一直在耕耘基于DRAM的固態(tài)硬盤市場。這個(gè)領(lǐng)域的巨頭德州內(nèi)存系統(tǒng)（Texas Memory Systems）公司早在1976年就推出了第一個(gè)SRAM SSD，此后不久又推出了DRAM SSD。Solid Data是另一家從事這個(gè)領(lǐng)域的廠商，甚至推出了小型模擬化SSD，專門用于高性能個(gè)人電腦游戲社區(qū)。很早進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的廠商還包括EMC和 Dataram，而Violin Memory則是最近涉及該領(lǐng)域的廠商，這家公司提供了一種獨(dú)特的方法來集成DRAM層。

DRAM SSD提供了極高的性能，但有兩個(gè)不利因素。首先也是最重要的是，由于使用DRAM，結(jié)果每GB的成本要高于服務(wù)器中的DRAM主內(nèi)存。那么，為什么數(shù)據(jù)中心還要使用這種設(shè)備呢？那是因?yàn)樵O(shè)計(jì)這些硬盤的初衷就是為了添加比服務(wù)器硬件和軟件所能支持的更多的DRAM。

其次，DRAM SSD具有易失的缺點(diǎn)，因而部署的系統(tǒng)必須為DRAM提供后備支持，以防斷電。較舊的系統(tǒng)為DRAM提供后備支持的辦法是在電池供電情況下將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到HDD上；現(xiàn)在的DRAM SSD使用多并行路徑（若使用HDD方法，無法獲得這些路徑），將DRAM中的數(shù)據(jù)后備至NAND。這提供了非?？斓膫浞莺突謴?fù)速度，又大大節(jié)省了電力，減少了執(zhí)行這項(xiàng)重要功能所需的電池容量。

DRAM SSD始終會在企業(yè)級系統(tǒng)中扮演重要角色。

數(shù)據(jù)中心中的固態(tài)硬盤

數(shù)據(jù)中心通常由裝在獨(dú)立機(jī)柜的服務(wù)器和存儲系統(tǒng)構(gòu)建而成（圖2）。共享存儲系統(tǒng)可解決很多問題，特別是當(dāng)工作負(fù)載在服務(wù)器之間轉(zhuǎn)移時(shí)，這是由于數(shù)據(jù)訪問任務(wù)平均分配給了所有服務(wù)器。另一方面，直接安裝到服務(wù)器中的存儲系統(tǒng)越多，必須經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送的存儲請求數(shù)量就越少。

若使用速度更快的存儲系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)兩端都能得益。存儲陣列逐漸使用“分層”存儲，在這種環(huán)境下，存儲陣列用不同速度級別和成本的存儲設(shè)備來構(gòu)建。在圖1中，最左邊代表磁帶和HDD的兩個(gè)橢圓形可以被分為第1層、第2層和第3層。磁帶用于第3層，高容量HHD用于第2層，企業(yè)級HHD用于第1層。存儲陣列把I/O請求最頻繁或稱為“熱”的數(shù)據(jù)存儲在第1層，把很少使用或稱為“冷”的數(shù)據(jù)存儲在第3層。陣列中的軟件負(fù)責(zé)管理這些層之間的數(shù)據(jù)，為“熱”數(shù)據(jù)分配速度較快的存儲系統(tǒng)，而把“冷”數(shù)據(jù)放到較低的存儲層上。

SSD出現(xiàn)在存儲陣列中后，一個(gè)新的層（稱為第0層，Tier 0）將應(yīng)用于這些設(shè)備上。SSD的優(yōu)勢在于，它已經(jīng)很適合現(xiàn)有的管理模式，并且將存儲陣列的性能帶到了一個(gè)新的層面。

EMC公司是第一家廣泛支持存儲陣列中SSD的廠商，2008年年初即宣布了在Symmetrix系統(tǒng)中使用第0層存儲。該系統(tǒng)使用了STEC公司的超高速ZeusIOPS光纖通道SSD。

幾個(gè)月后，IBM公司推出了其DS8000存儲系統(tǒng)的升級版本，這款產(chǎn)品基于Fusion-io公司的IOdrive PCIe SSD，可提供高達(dá)100萬IOPS。

戴爾公司將其存儲層命名為“池”（pool），第1池由SSD組成，第2池由企業(yè)級HDD組成，以此類推。其他公司也推出了類似產(chǎn)品，有些甚至在EMC之前就推出了，只是它們沒有那么高的知名度罷了。

加快存儲陣列速度存在的一個(gè)困難是，從服務(wù)器到陣列的所有數(shù)據(jù)訪問還是會受到網(wǎng)絡(luò)延遲的影響；而在某些情況下，這種延遲令人無法接受。在這種情況下，數(shù)據(jù)中心的管理人員經(jīng)常使用兩種方法，一是添加DRAM高速緩存，從存儲陣列復(fù)制數(shù)據(jù)；或者安裝額外服務(wù)器，每一臺服務(wù)器用來存儲及操作一部分工作負(fù)載。但這兩種方法都需要高昂的成本。

OEM廠商及其客戶發(fā)現(xiàn)，如果為服務(wù)器添加SSD，就能減少對DRAM的需求，有時(shí)甚至減少所用服務(wù)器的數(shù)量。這不僅帶來了盡量少占場地、節(jié)省電力/冷卻成本的好處，還往往會帶來另一個(gè)潛在的好處，即減少軟件許可的成本，因?yàn)檐浖S可常常與處理器數(shù)量密切相關(guān)。

Sun公司很早就在其服務(wù)器中采用了SSD。最初用的是英特爾的SSD，后來推出了可以插入到服務(wù)器或?qū)Ｓ霉虘B(tài)存儲板的開放標(biāo)準(zhǔn)SATA模塊。這種模塊基于供筆記本電腦DRAM使用的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)SO-DIMM規(guī)格。Sun還宣布了其ZFS文件系統(tǒng)的升級版本，不需要管理員的干預(yù)，就能自動(dòng)管理“熱”數(shù)據(jù)和“冷”數(shù)據(jù)。

在過去幾年中，大多數(shù)其他服務(wù)器OEM廠商在基于標(biāo)準(zhǔn)SATA SSD的系統(tǒng)中采用了SSD選件；而有些廠商更進(jìn)一步添加了像Fusion-io公司的IOdrive這樣的設(shè)備，因而需要對系統(tǒng)進(jìn)行重新配置。不過，SATA SSD最常見，盡管它們的帶寬受到SATA接口的限制。

兩種方式共存？

Objective Analysis公司對此并沒有傾向于哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。直接連接的SSD存儲系統(tǒng)在減少網(wǎng)絡(luò)流量方面表現(xiàn)很出色，但影響數(shù)據(jù)共享。存儲陣列中的SSD可以大幅度減少網(wǎng)絡(luò)延遲，可數(shù)據(jù)傳輸仍會受制于網(wǎng)絡(luò)開銷。哪種選擇最佳，這在很大程度上取決于工作負(fù)載的類型。

從長遠(yuǎn)來看，隨著SSD日益普及（預(yù)計(jì)最快三年內(nèi)會出現(xiàn)這一幕），許多數(shù)據(jù)中心會采用混合方法，把SSD同時(shí)添加到存儲陣列和服務(wù)器中。兩者可以共同減少網(wǎng)絡(luò)流量，縮短響應(yīng)時(shí)間，這樣就能獲得速度更快的系統(tǒng)，不但所用硬件成本更低、所占場地更小，耗電量也更少。

加州理工大學(xué)的Carver Mead教授所說的一番話很適合這種情況。他表示，網(wǎng)絡(luò)通道所需要的帶寬與網(wǎng)絡(luò)兩端的智能水平成反比。許多數(shù)據(jù)中心的管理人員會發(fā)現(xiàn)，若通過利用SSD來增加網(wǎng)絡(luò)任何一端的智能，自己面臨的挑戰(zhàn)會從原來的網(wǎng)絡(luò)延遲問題轉(zhuǎn)移到計(jì)算瓶頸的其他部分。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲層次體系

圖2  部署SSD的兩種選擇