揭开固态硬盘不为人知的另一面

很多人都习惯将SSD(固态硬盘)产品与我们常用的温彻斯特硬盘(HDD)拿来做个比较，于是原来很多用在温彻斯特硬盘上的东西照搬过来套在SSD头上。不知你想过没有，这么做真的合理吗？其实二者的共同之处仅在于都是存储资料的存储器，二者从设计初衷、结构、性能表现等都具有极大的差别。今天我们就带领大家一起去了解SSD产品所不为人知的另一面。

定位与客户需求决定了产品的设计与特性，与成熟的HDD产品不同，SSD产品在目前看来格局尚未形成，每家产品都自成风格；或者说因为诉求目标的不同，每家生产商的产品表现迥异。有兴趣的读者可以参考我刊去年12月下的《岁末鏖战，谁是SSD之王？SSD横向评测》一文。

产品差异的根源:SSD产品的心脏(控制IC)

SSD产品的核心在于Flash管理以及数据安排方式，而这一切都需要由主控芯片(控制IC)来进行协调和控制的。由于SSD属于新兴产业，所以业界标准也不像HDD那样统一，各种控制方案以及芯片纷至沓来，以期望在市场的起飞期圈定自己的地盘。这也造成了目前SSD市场上的一种混乱局面，各种方案之间在寿命、连续读写速度、IOPS指数乃至于数据安全方面存在着巨大差异。

现阶段的SSD市场群雄并起，各厂商之间的产品差异非常明显

关注焦点1：SSD的寿命由哪些因素决定？

由于媒体长时间的报道，以及对MLC颗粒与SLC颗粒在读写次数限制的渲染，使得很多用户对现在众多使用MLC颗粒SSD产品的寿命问题非常关注；再加上很多人对这个问题并不是非常了解，所以市场上的观望情绪非常浓重。

实际上在不同的应用领域，如Windows日常应用、服务器应用又或者其它专业用途，就算是同一款SSD产品也会有不同的寿命表现。一般来说，读写操作的比率(操作频率)、写入数据块的大小、写入数据的相关性乃至于SSD产品的容量等都会对寿命产生影响。

◆数据的读写比例

在日常使用中，我们对硬盘的访问总是读写操作掺杂在一起的，不同的应用需求所产生的读写比例也是不一样的。例如VoD点播系统，Web Server(网络服务器)、Search Engine(搜索引擎)这一类的应用，读数据的操作占了绝大多数，写操作非常少。而对于另外一些在线服务器、数据服务器、文件服务器以及邮件服务器等，其读写比例比较固定，大约是3∶1，即写入操作占到总IO比重的25%。对于视频监控、备份服务器、Log(日志)服务器以及数据采集系统等，它们的写操作占了绝大多数，读取只在少数时间发生。

具体到个人计算机、通用服务器之类的用途，读写比例都是视情况而定，这与用户的使用习惯关系非常密切。一般的统计结果，个人用户对硬盘的读写操作比例大约是3∶1～5∶1之间。而且在可能的情况下，尽量优化写入策略，合并一些不必要的写入操作对延长SSD寿命有着重要作用。

◆写入数据块的大小

无论是SSD还是HDD，在进行文件管理时并不是直接由操作系统管理每一个数据存储位置；而是控制IC将若干个空间看成一个数据簇，对于操作系统来说小的数据单位就是一个簇。以我们常用的HDD为例，在NTFS文件分区模式下，一个数据簇的大小为4KB或者8KB。也就是说，哪怕一个文件只含有1个字节它也要占用4KB的存储空间；且这种数据管理方式具有唯一性，一旦某个数据簇被使用，其它文件就无权再调用该数据簇。对于HDD来说，因为每个磁碟面只有一个读写磁头，即便这种簇管理方式会浪费一些空间，也不会造成太大的影响，况且每个簇也不会有读写次数的限制。

多通道技术实际上是在不同的颗粒之间展开的，我们可以形象地将其理解为一种“RAID 0”技术

对于SSD产品来说，情况就不一样了，因为NAND Flash的管理方式是按照“页(Page)”和“块（Block）”来管理的。每个Page的数据实际上就是一个数据簇，一般4KB或者8KB，这样在存储大量小文件时会造成比较严重的浪费；而且多通道数据技术大大增加了这种浪费的几率。例如对于一个16KB大小的文件来说，正常情况下只需要占用4个4KB的数据块即可：但在引入了8通道数据存储技术之后，控制IC会将文件分成8份进行存储，也就是占用8个Page。这种情况不仅会造成一定的浪费，而且进一步加剧了数据块的写入频率，对于SSD产品的寿命来说是非常不利的。

Tips：NAND颗粒的读写操作

NAND型Flash颗粒的基本存储单元叫做Cell，如下图所示。通过在栅极的绝缘层中注入或者释放电子来达到存储数据的目的。所以NAND Flash的操作分为三种，注入电子叫做“Erase”、释放电子叫做“Program”、读取电子叫做“Read”。

由于Cell的充电和放电都需要借助高压来完成，所以会对Gate Oxide(栅极)造成损耗，因此
NAND FLASH是有Program/Erase的周期数限制的，对于SLC颗粒这个次数为8～10万次，MLC颗粒为2～3万次。

Program操作只能将电子释放，即写入0；写入0之后就不能再通过Program写入1，写入1只能通过Erase来实现。

让操作系统每次寻址精确到一个Cell将会带来复杂的地址线，让大容量变得遥不可及；所以工程师们使用了一种“串串烧”的方式将若干个Cell串接起来，一个串称为一个“Page(页面)”，然后将多个Page做成一个集合用一个栅极进行充电，则成为“Block(块)”。当前多数NAND Flash结构多为4KB组成一个Page，而64或者128个Page组成一个Block。Page是读取和写入的基本单位，而Block则是Erase操作的小单位。

NAND Flash中的页面组织方式

由于NAND FLASH的结构组织中，Block的size比较大（256KB或者512KB），而Block又是
Erase的基本单位，所以要对Block内的任何数据进行改写，必须先将不需要改写的旧数据读出，对整个Block进行擦除，然后再将新旧组合的数据写入。

◆写入数据的相关性

数据的相关性是指系统对SSD多次访问的关系，具体表现就是多次访问地址的范围大小。这是属于操作系统一级的操作，在多数PC用户的应用环境中，系统的数据访问相关度是非常高的，很多操作的地址前后是连续的，或者说集中在一定范围内；而在多用户的Server应用中，数据的相关度则比较低，因为各个用户之间的相关性本身就比较低，导致其需要的范围也没有太大的相关性。对于相关性较高的多次数据请求，可以由SSD的控制IC合并成一个请求，从而减少Erase操作次数、延长SSD的寿命。

◆写入数据的边界对齐

这是NAND存储颗粒特有的一个属性。因为在NAND Flash中，数据的存放是以Page和Block来组织的，所以如果系统的数据访问能够对齐到Page或者Block，就能够大大减少写入操作跨Page、跨Channel(数据通道)、跨Block的情况出现，也会减少Flash的P/E延迟，延长整个SSD的寿命，并且在一定程度上能够提高写入性能。

◆应用的使用强度

每种应用方式都有对SSD的访问强度，例如有些应用场合需要24(小时)×7(天)不间断工作，而且几乎每秒钟都在进行数据读写操作(服务器应用)；而另外一些场合则只需要进行8×5的应用，且工作时间对SSD的访问频率很低。对于这两种截然不同的应用场合和需求，SSD产品所表现出的寿命长短肯定会存在巨大差异。

◆SSD产品的总体容量

可能有些朋友会觉得这个理由比较牵强，容量越大的SSD产品使用寿命也会越长吗？答案是肯定的，因为从理论上来说，SSD容量越大，其能够承受的总的写入请求数就越大；从Flash磨损和坏块管理机制的角度来看SSD的寿命基本上跟容量成正比。虽然在实际应用中我们不可能等到“海枯石烂”的时候再想起换硬盘，但是容量越大的硬盘，其在硬度磨损时的余量也越大。

Tips：一块64GB的SSD理论寿命是多长时间？

在了解了这些影响SSD产品寿命的因素之后，我们就可以对SSD产品的寿命进行一个简单的估算。一个典型的笔记本电脑用户，每天开机10小时、每周开机6天，应用Windows XP操作系统，其SSD访问平均强度为100 IOPS，所有I/O比例为3∶1，访问数据块的大中小比例为3∶4∶3，自适应通道中分别对应4∶2∶1个块操作，Cache命中率为70%。

64GB的MLC SSD一共有64GB÷512KB/Block=128K Block；每个Block中的读写次数极限3万次，则整个SSD所能够承受的极限总数为：128K Block×3万次=3.84 Billion亿次；
用户一周内总的写入I/O次数：100×10小时×3600秒×6天×0.25(读写比率)=5.4M 次；
扣除缓存命中等因素影响后，每周实际写入次数：5.4M×(1-0.7)=1.62M次；
考虑数据块以及文件大小的影响后：1.62M×(4×0.3+2×0.4+1×0.3)=3.726M次；
一年52周，则每年写入次数为：52×3.726=194.3M次；
预计SSD寿命全部耗尽时，共需：3.84 B次÷194.3M次=19.7年。
(以上数据来源于固捷数据的技术资料，不代表本刊观点，仅供参考)

关注焦点2：为什么现在所有SSD都很重视IOPS指标？

连续读写速度的提升是SSD产品带给大家的第一印象，很多SSD产品的读写速度都超过了100MB/s的关口，这主要得益于控制IC对NAND颗粒的管理方式。关于这方面的内容我们在以前已经做过详细介绍，这里就不再赘述了。其实在连续读写速度提高的背后，是IOPS参数指标的大幅飙升。

现在的SSD产品IOPS参数指标动辄都是传统HDD硬盘的几十倍

如果说SSD产品的速度取决于控制IC对颗粒的组织形式(RAID数量)，那么IOPS则与控制IC的数据通道数量有着直接关系。比如在本刊以前的测试中，Intel X25-M 80GB SSD硬盘在IOPS测试中，成绩将其它竞争对手远远抛在了后面，其原因就在于这款产品配备了动态自适应10通道技术，也就是说在必要的时候，可以通过十个通道执行10个不同的I/O操作。这要比其它4通道、8通道设计的产品更为优秀。

Tips：什么是IOPS？

IOPS是“每秒钟输入输出能力”的英文缩写——Input/Output Per Second，这是一个考察存储器对外界指令响应速度的重要参数。IOPS越高，则意味着硬盘(或其它设备)对指令可以做出快速反应。通常来说服务器应用非常在意IOPS能力，而一般的PC用户对IOPS的要求要弱一些。

◆什么是“动态自适应多通道技术”？

在前文中我们已经提到过，使用多通道技术之后虽然可以明显提高数据的处理速度，但是同样会带来一定的存储空间浪费。对于某些体积较小的文件没有必要全部使用多通道存储技术，在这个前提下，众多厂商都开发了动态自适应多通道技术。根据实际负载需要动态调整数据通道的使用情况，既可以杜绝浪费，也可以明显提高数据处理的速度。需要指出的一点是，随着越来越多的厂商开始跟进8通道、10通道(甚至更多通道)技术，动态自适应技术正在变得不可或缺。

◆IOPS提高一倍，是否意味着速度也提高一倍？

很多人会问，IOPS提高之后，会对日常操作带来多大的帮助呢？回答这个问题的前提是先要有确定的使用环境，因为不同的使用环境会得到截然不同的结果。在普通PC上应用时，IOPS要求本身较低，多数情况下使用HDD产品就可以满足要求；即便是对硬盘读写要求较高的BT、电驴等点对点下载工具，对硬盘读写的要求也不会超过100 IOPS。对用户来讲，IOPS的提升反倒不如增加连续读写速度来得直接。用户不要指望IOPS提高一倍之后，能够将原来需要30秒启动的Windows在15秒内就启动完毕。

而在密集型应用中，例如多用户服务器应用环境中，SSD产品高IOPS的特性就会被发挥得淋漓尽致，每个用户的读写需求都可以尽快得到响应，减少用户的等待时间。

关注焦点3——我的宝贝，你现在安全吗？

作为存储器来讲，用户会非常在意存储数据的安全问题。在前面我们已经详细介绍了SSD硬盘的使用寿命，除此之外，与数据安全相关的重要指标还有抗震能力与断电保护，但大家在认识SSD产品时仍存在不小的误区。

◆误区一：用“抗震能力”来衡量SSD

由于用户从HDD时代带来的思维惯性，很多人不自然地将“抗震指标”也作为SSD产品的重要参数，其实这种表述方式是不恰当的。因为作为全电子器件的SSD产品，其抗震能力和参数指标与主板、显卡等电子元器件是完全一致的，为什么没有人会考察主板的“抗震指数”呢？

随着多通道数据存储技术的发展以及SSD容量的增加，缓存的作用也在被逐步加强

◆误区二：SSD硬盘比传统硬盘更加省电

应该说传统硬盘，尤其是笔记本电脑使用的2.5英寸硬盘在功耗控制方面已经非常出色了，多数硬盘的功耗能够控制在3W以下。而反观SSD产品，虽然全电子元器件的设计没有机械结构，但控制芯片以及缓存的功耗很难进一步下降，所以到目前为止SSD硬盘的功耗也多集中在2.5W～4W之间。相对与整台笔记本电脑来说，这点功耗上的差异在日常使用中是完全可以忽略不计的。盲目相信SSD更省电的念头也是不足取的。

固捷的工程师专门为控制IC设计了电容，当发生意外断电时，电容可以继续给控制IC提供6秒左右的电力，直到数据全部写入NAND Flash。

写在后

虽然经历了2008年的大肆铺垫，但普通用户对SSD的了解依然比较有限，难免存在这样或者那样的误区。而在今年年初，业内人士纷纷表示SSD产品将在今年下半年进入一个“放量”的阶段，随着价格的走低，相信会有越来越多的朋友在今年内与SSD产品来一次亲密接触。而在此之前，深入了解SSD产品的特性是大家共同的愿望，请继续关注MC，近期内我们会给大家带来更多这方面的报道。