性能局限：固態(tài)硬盤的另一面

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在存儲市場，固態(tài)硬盤（Solid State Driver，SSD）正如日中天。有報道說百度、Google等搜索引擎公司正計劃或者已經(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)和普通消費者正在對固態(tài)硬盤進(jìn)行評估。

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)動部件，其讀寫速度更快、更可靠，也更節(jié)能，因而，即使其價格被傳統(tǒng)硬盤高一些，用它取代傳統(tǒng)硬盤也是值得的。然而，對消費者來說，在真正采購固態(tài)硬盤的時候，除了需要知道固態(tài)硬盤價格較貴以外，還有必要知道它的另一個特點： 隨著時間的推移，SSD的性能會下降。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相差甚多。另外，延長固態(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，隨著使用時間的推移其性能也不會有明顯變化。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)存儲在NAND閃存中，其中沒有運(yùn)動部件。對SSD而言，其讀取數(shù)據(jù)的過程就是一個解析地址的過程，因此，其數(shù)據(jù)讀取的速度非常快。而數(shù)據(jù)寫入過程就復(fù)雜一些，分為兩個過程： 清除數(shù)據(jù)，然后寫入。與數(shù)據(jù)的讀取相比，固態(tài)硬盤的寫入速度會慢得多。因為固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)寫入要復(fù)雜一些，固態(tài)硬盤的控制器會執(zhí)行一種名為磨損均衡（Wear-leveling）的操作，對里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新安排，有些數(shù)據(jù)會從一個位置被轉(zhuǎn)移到另一個位置。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，這時數(shù)據(jù)的寫入非常快。隨著時間的推移，SSD中從未使用的存儲空間越來越少，很多時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)在某個空間寫入，以保證各個存儲區(qū)域內(nèi)磨損程度基本一致，從而達(dá)到延長固態(tài)硬盤的目的。但是，它也會影響固態(tài)硬盤的性能。

另外，為了達(dá)到磨損均衡的目的，SSD會時常把常使用的數(shù)據(jù)從一種位置移動到另一個位置，這一舉動還會引發(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

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。這是因為固態(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，市場的固態(tài)硬盤分為兩類。一類為每個閃存單元存儲1位的SLC（single-level cell），價格較貴，主要面向企業(yè)。另一類為每個閃存單元保存2到多位（現(xiàn)已到4位）MLC，主要面向普通消費者，價格要便宜得多。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專門的芯片，它能把多個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的存儲空間，其內(nèi)部實際可能有120GB的存儲能力。額外的20GB平時不用，等到有單元壞掉時再使用。

正是因為固態(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使用初期性能會下降，但性能會逐步穩(wěn)定下來。更為重要的是，即使SSD性能會下降，但與傳統(tǒng)硬盤相比，其I/O性能仍然會高出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，另外一個對SSD性能和壽命都有影響的是所有NAND閃存都在使用的一項技術(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，那么即使一個待寫入的數(shù)據(jù)塊只有4K，也必須占用一個塊的空間。一旦這個塊的數(shù)據(jù)中任何一個部分需要修改，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實際需要占用 15MB～20MB的存儲空間。

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

SSD 的讀寫算法也會對性能造成影響。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，然后重新給這個數(shù)據(jù)找一個存放位置，最后再把新的數(shù)據(jù)寫入這個塊中。在這一過程中，SSD必須將塊中原有的數(shù)據(jù)讀出來，然后再找個新位置重新寫進(jìn)去，而對使用者來說，這個過程與他要存儲的新數(shù)據(jù)沒有關(guān)系，純屬浪費時間。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)是如何提高存儲效率和利用率的，我們還不得而知，因為各個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固件（Firmware），它能把多次寫請求集中到一起執(zhí)行，從而減少對存儲的需求。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)實際需要1.1MB的存儲空間。另一個主要的SSD供應(yīng)商三星稱其把這個值控制在1.03左右，這意味著平均只有3%的浪費。

如何評估硬盤的壽命

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

事實上，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的消費級SSD X25-M的MTBF為120萬個小時，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)倉庫）應(yīng)該是SSD最 適合的應(yīng)用場合。

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，從一個新盤到最終壞掉，總共大約能寫入2P的數(shù)據(jù)，而一個MLC（如X25-M）一生只能寫入15TB的數(shù)據(jù)。一般而言，SSD的實際壽命與 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壽命更長一些。

為了幫助人們正確地評估一個SSD，存儲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）下的一個SSD小組正在制訂一個評估SSD壽命的標(biāo)準(zhǔn)，有望在今年出臺。JEDEC提出了兩種評估SSD壽命的方 法。一個是供像戴爾和聯(lián)想這樣的OEM廠商使用，它們可以對SSD每個數(shù)據(jù)塊所能經(jīng)受的最大寫數(shù)據(jù)次數(shù)進(jìn)行測定，以評估SSD的壽命。標(biāo)準(zhǔn)中包括一些基于 各種存儲應(yīng)用場景預(yù)測SSD壽命的模型。

另一個方法供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SSD的壽命進(jìn)行分級。值得注意的是，新SSD性能因為沒有擦除這道工作而不再測算的范圍之內(nèi)。

業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，隨著SSD的普及，普通消費者需要一個統(tǒng)一的指標(biāo)來判定一個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Windows 7將運(yùn)行得更快。

微軟說，Windows 7對SSD的支持無需用戶的任何設(shè)置。比如，會自動辨識存儲設(shè)備是傳統(tǒng)硬盤還是SSD。若為SSD，就會關(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)盤的存儲能力以加快系統(tǒng)運(yùn)行ReadyBoost功能在部署SSD時也會關(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SSD的支持了。比如，采用SSD后Windows 7對小塊的數(shù)據(jù)其讀取速度比用傳統(tǒng)硬盤時快100倍，如果大的視頻文件其讀取速度也會快兩倍以上。對大多數(shù)SSD而言，大文件的寫入也會比傳統(tǒng)硬盤快，特 別是當(dāng)SSD是新的或者空的時候。

同時，微軟也承認(rèn)，到目前為止隨著使用時間的延長，SSD的性能下降問題在Windows 7中還會遇到，特別如果用的是老式的低端SSD，有可能會很慢。比如，隨著SSD的使用，在寫入較小的文件時，Windows 7的用戶可能會感覺到性能的下降，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時代網(wǎng)）