性能局限：固態(tài)硬盤的另一面

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在存儲(chǔ)市場(chǎng)，固態(tài)硬盤（Solid State Driver，SSD）正如日中天。有報(bào)道說百度、Google等搜索引擎公司正計(jì)劃或者已經(jīng)將傳統(tǒng)硬盤換成了固態(tài)硬盤，微軟表示其最新的操作系統(tǒng) Windows 7將支持SSD。而更多的企業(yè)和普通消費(fèi)者正在對(duì)固態(tài)硬盤進(jìn)行評(píng)估。

與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式、磁介質(zhì)硬盤相比，固態(tài)硬盤沒有運(yùn)動(dòng)部件，其讀寫速度更快、更可靠，也更節(jié)能，因而，即使其價(jià)格被傳統(tǒng)硬盤高一些，用它取代傳統(tǒng)硬盤也是值得的。然而，對(duì)消費(fèi)者來說，在真正采購(gòu)固態(tài)硬盤的時(shí)候，除了需要知道固態(tài)硬盤價(jià)格較貴以外，還有必要知道它的另一個(gè)特點(diǎn)： 隨著時(shí)間的推移，SSD的性能會(huì)下降。根據(jù)固態(tài)硬盤的種類不同或者品牌不同，其性能下降幅度也不同，但可以肯定的是，剛買的硬盤和你使用過一年以后的性能一定會(huì)相差甚多。另外，延長(zhǎng)固態(tài)硬盤的使用壽命也是供應(yīng)商目前正著力解決的問題。

磨損均衡影響SSD性能

眾所周知，傳統(tǒng)硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁介質(zhì)上，通過磁介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)和讀寫臂的配合讀取磁介質(zhì)上的數(shù)據(jù)，其讀寫數(shù)據(jù)性能基本一致，隨著使用時(shí)間的推移其性能也不會(huì)有明顯變化。而SSD不同，其性能不是一成不變的，而且變化很明顯。

SSD 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在NAND閃存中，其中沒有運(yùn)動(dòng)部件。對(duì)SSD而言，其讀取數(shù)據(jù)的過程就是一個(gè)解析地址的過程，因此，其數(shù)據(jù)讀取的速度非?？?。而數(shù)據(jù)寫入過程就復(fù)雜一些，分為兩個(gè)過程： 清除數(shù)據(jù)，然后寫入。與數(shù)據(jù)的讀取相比，固態(tài)硬盤的寫入速度會(huì)慢得多。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤的數(shù)據(jù)寫入要復(fù)雜一些，固態(tài)硬盤的控制器會(huì)執(zhí)行一種名為磨損均衡（Wear-leveling）的操作，對(duì)里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新安排，有些數(shù)據(jù)會(huì)從一個(gè)位置被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。為了完成這一操作，SSD的控制器中保留一份名單，記錄這些被移動(dòng)的數(shù)據(jù)的位置。

如果固態(tài)硬盤是新的，其中的NAND閃存已經(jīng)預(yù)先擦除干凈，因此數(shù)據(jù)可以直接寫入閃存，而無需完成數(shù)據(jù)清除這一步，這時(shí)數(shù)據(jù)的寫入非?？?。隨著時(shí)間的推移，SSD中從未使用的存儲(chǔ)空間越來越少，很多時(shí)候必須先擦除閃存中的數(shù)據(jù)然后再寫入，因此其性能就會(huì)明顯下降。而且，盡管磨損均衡的目的是避免數(shù)據(jù)重復(fù)在某個(gè)空間寫入，以保證各個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)磨損程度基本一致，從而達(dá)到延長(zhǎng)固態(tài)硬盤的目的。但是，它也會(huì)影響固態(tài)硬盤的性能。

另外，為了達(dá)到磨損均衡的目的，SSD會(huì)時(shí)常把常使用的數(shù)據(jù)從一種位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，這一舉動(dòng)還會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)碎片的問題。與傳統(tǒng)硬盤一樣，數(shù)據(jù)碎片也是SSD性能下降的罪魁禍?zhǔn)字弧?/P>

SSD的壽命有多長(zhǎng)

固態(tài)硬盤的性能與壽命是有關(guān)系的。通常，固態(tài)硬盤的性能越差意味著它的使用壽命就越短。這是因?yàn)楣虘B(tài)硬盤的磨損與固態(tài)硬盤上發(fā)生的數(shù)據(jù)寫入和清除次數(shù)直接相關(guān)。發(fā)生寫數(shù)據(jù)的次數(shù)越多，其壽命就越短。

目前，市場(chǎng)的固態(tài)硬盤分為兩類。一類為每個(gè)閃存單元存儲(chǔ)1位的SLC（single-level cell），價(jià)格較貴，主要面向企業(yè)。另一類為每個(gè)閃存單元保存2到多位（現(xiàn)已到4位）MLC，主要面向普通消費(fèi)者，價(jià)格要便宜得多。MLC固態(tài)硬盤的可寫入次數(shù)為2000～10000，SLC固態(tài)硬盤的可寫入次數(shù)是MLC的10倍左右。

為了延長(zhǎng)固態(tài)硬盤的使用壽命，制造商們想盡了辦法。除了前面提到的磨損均衡技術(shù)以外，還在SSD中加入DRAM緩存，把數(shù)據(jù)先緩存在DRAM中，然后集中寫入，從而減少寫入次數(shù)。另一個(gè)減少寫入次數(shù)的辦法是在SSD的控制器或者處理器中加入一個(gè)專門的芯片，它能把多個(gè)寫入操作組合到一起，以提高寫入效率。

有的供應(yīng)商還采用另一種辦法，即為SSD額外多提供一些閃存單元，如果SSD中有些閃存單元損壞，可以替補(bǔ)使用。例如，有些SSD標(biāo)明是100GB的存儲(chǔ)空間，其內(nèi)部實(shí)際可能有120GB的存儲(chǔ)能力。額外的20GB平時(shí)不用，等到有單元壞掉時(shí)再使用。

正是因?yàn)楣虘B(tài)硬盤的性能和其使用壽命是緊密相關(guān)的，固態(tài)硬盤制造商需要在讀寫速度和使用壽命之間做出最佳平衡。值得高興的是，盡管SSD使用初期性能會(huì)下降，但性能會(huì)逐步穩(wěn)定下來。更為重要的是，即使SSD性能會(huì)下降，但與傳統(tǒng)硬盤相比，其I/O性能仍然會(huì)高出2～5倍。

諸多因素影響  壽命和性能

除了磨損均衡技術(shù)影響性能以外，另外一個(gè)對(duì)SSD性能和壽命都有影響的是所有NAND閃存都在使用的一項(xiàng)技術(shù)：寫入放大（write amplification）。在NAND閃存中，數(shù)據(jù)是按塊組織的，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)硬盤一樣，而與傳統(tǒng)硬盤不同的地方在于SSD中的塊大小是固定的。比如，NAND閃存的塊規(guī)定為512K，那么即使一個(gè)待寫入的數(shù)據(jù)塊只有4K，也必須占用一個(gè)塊的空間。一旦這個(gè)塊的數(shù)據(jù)中任何一個(gè)部分需要修改，也必須先全部擦除，然后再重新寫入。不同SSD的數(shù)據(jù)寫入放大比率有所不同，范圍在15～20之間，這也就意味著，每1MB的數(shù)據(jù)被寫入SSD實(shí)際需要占用 15MB～20MB的存儲(chǔ)空間。

而另一個(gè)問題是，NAND閃存中塊的大小與Windows系統(tǒng)中通常的寫請(qǐng)求不匹配，Windows系統(tǒng)中大多數(shù)時(shí)候?qū)懭氲臄?shù)據(jù)量比NAND閃存中的塊小。這兩者不匹配會(huì)影響SSD的寫入性能。

SSD 的讀寫算法也會(huì)對(duì)性能造成影響。SSD控制器中的讀寫算法負(fù)責(zé)找到準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)的位置，把原有的數(shù)據(jù)讀出來，標(biāo)記位刪除，然后重新給這個(gè)數(shù)據(jù)找一個(gè)存放位置，最后再把新的數(shù)據(jù)寫入這個(gè)塊中。在這一過程中，SSD必須將塊中原有的數(shù)據(jù)讀出來，然后再找個(gè)新位置重新寫進(jìn)去，而對(duì)使用者來說，這個(gè)過程與他要存儲(chǔ)的新數(shù)據(jù)沒有關(guān)系，純屬浪費(fèi)時(shí)間。這是所有基于NAND的SSD所共同面臨的問題，到目前為止，還沒有從根本上解決。

正是由于SSD所能承受的寫入次數(shù)有限，因此制造商正在設(shè)法減小”write amplification“的比率，以減少磨損的次數(shù)。正如前面所說，一些制造商通過一些算法來把多次寫請(qǐng)求組合到一起來提高SSD的性能，這一方法同樣也能提高SSD的存儲(chǔ)空間利用率，從而能減少數(shù)據(jù)的寫入次數(shù)，另外也有一些制造商在SSD中增加緩存。不過，目前究竟這些技術(shù)是如何提高存儲(chǔ)效率和利用率的，我們還不得而知，因?yàn)楦鱾€(gè)制造商都把這視為商業(yè)秘密而不愿意公開。

據(jù)了解，Intel就在SSD的控制器中增加了一個(gè)固件（Firmware），它能把多次寫請(qǐng)求集中到一起執(zhí)行，從而減少對(duì)存儲(chǔ)的需求。Intel的官方資料稱，其”write amplification“的比值低于1.1，也就是說，每1MB的數(shù)據(jù)實(shí)際需要1.1MB的存儲(chǔ)空間。另一個(gè)主要的SSD供應(yīng)商三星稱其把這個(gè)值控制在1.03左右，這意味著平均只有3%的浪費(fèi)。

如何評(píng)估硬盤的壽命

對(duì)傳統(tǒng)硬盤，人們常用平均無故障時(shí)間（MBTF）來標(biāo)識(shí)其可靠性，現(xiàn)在很多SSD制造商借用這個(gè)指標(biāo)來說明SSD質(zhì)量的高低。顯然，這個(gè)指標(biāo)不能完全說明SSD的使用壽命。

事實(shí)上，如果其他條件一樣，SSD的壽命與其如何使用有密切關(guān)系。比如，Intel的消費(fèi)級(jí)SSD X25-M的MTBF為120萬個(gè)小時(shí)，與普通的磁介質(zhì)大體相當(dāng)。但是，如果每天寫入100GB數(shù)據(jù)的話，就只可以使用5年。值得注意的是，SSD的使用 壽命主要取決于其寫入數(shù)據(jù)的次數(shù)，而與讀取次數(shù)關(guān)系不大。有鑒于此，那些以”一次存取，多次查詢“為主的應(yīng)用形式（如搜索引擎、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)）應(yīng)該是SSD最 適合的應(yīng)用場(chǎng)合。

SSD的使用壽命還與其到底采用的是MLC還是SLC技術(shù)有關(guān)。比如，Intel采用 SLC技術(shù)生產(chǎn)的64GB的SSD X25-E，從一個(gè)新盤到最終壞掉，總共大約能寫入2P的數(shù)據(jù)，而一個(gè)MLC（如X25-M）一生只能寫入15TB的數(shù)據(jù)。一般而言，SSD的實(shí)際壽命與 用戶如何使用以及其采用的工藝有關(guān)。但總體來說，SLC的SSD要比MLC的SSD壽命更長(zhǎng)一些。

為了幫助人們正確地評(píng)估一個(gè)SSD，存儲(chǔ)界正在著手制定有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC（Joint Electronic Device Engineering Council，聯(lián)合電子工程委員會(huì)）下的一個(gè)SSD小組正在制訂一個(gè)評(píng)估SSD壽命的標(biāo)準(zhǔn)，有望在今年出臺(tái)。JEDEC提出了兩種評(píng)估SSD壽命的方 法。一個(gè)是供像戴爾和聯(lián)想這樣的OEM廠商使用，它們可以對(duì)SSD每個(gè)數(shù)據(jù)塊所能經(jīng)受的最大寫數(shù)據(jù)次數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以評(píng)估SSD的壽命。標(biāo)準(zhǔn)中包括一些基于 各種存儲(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景預(yù)測(cè)SSD壽命的模型。

另一個(gè)方法供SSD的制造商使用。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)SSD使用磨損均衡和寫入放大算法后的平均性能對(duì)SSD的壽命進(jìn)行分級(jí)。值得注意的是，新SSD性能因?yàn)闆]有擦除這道工作而不再測(cè)算的范圍之內(nèi)。

業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，隨著SSD的普及，普通消費(fèi)者需要一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)來判定一個(gè)SSD的質(zhì)量和壽命，而不至于被各種眼花繚亂的廠商宣傳蒙住了雙眼。而這正是JEDEC制訂上述標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值所在。

鏈接 Windows 7將支持SSD

微軟已經(jīng)明顯表示W(wǎng)indows 7將支持SSD，使用SSD時(shí)Windows 7將運(yùn)行得更快。

微軟說，Windows 7對(duì)SSD的支持無需用戶的任何設(shè)置。比如，會(huì)自動(dòng)辨識(shí)存儲(chǔ)設(shè)備是傳統(tǒng)硬盤還是SSD。若為SSD，就會(huì)關(guān)掉磁盤重組功能，避免SSD不斷執(zhí)行重復(fù)讀寫工 作，從而延長(zhǎng)SSD在PC中的使用壽命。另外，從Vista開始使用的利用優(yōu)盤的存儲(chǔ)能力以加快系統(tǒng)運(yùn)行ReadyBoost功能在部署SSD時(shí)也會(huì)關(guān) 掉。

微軟表示，用戶從剛剛發(fā)布的Windows 7 RC中就已經(jīng)可以充分感受到對(duì)SSD的支持了。比如，采用SSD后Windows 7對(duì)小塊的數(shù)據(jù)其讀取速度比用傳統(tǒng)硬盤時(shí)快100倍，如果大的視頻文件其讀取速度也會(huì)快兩倍以上。對(duì)大多數(shù)SSD而言，大文件的寫入也會(huì)比傳統(tǒng)硬盤快，特 別是當(dāng)SSD是新的或者空的時(shí)候。

同時(shí)，微軟也承認(rèn)，到目前為止隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，SSD的性能下降問題在Windows 7中還會(huì)遇到，特別如果用的是老式的低端SSD，有可能會(huì)很慢。比如，隨著SSD的使用，在寫入較小的文件時(shí)，Windows 7的用戶可能會(huì)感覺到性能的下降，性能具體下降的程度視SSD的質(zhì)量而定。

據(jù)悉，華碩的上網(wǎng)本S121將配置512GB的SSD，如果Windows 7上市將安裝最新的操作系統(tǒng)。（CIO時(shí)代網(wǎng)）