解决固态存储现有问题 让SSD“飞”起来

6月26日消息：由于高速和静音的特性，SSD(固态驱动器)对普通计算机用户来说很有吸引力。数据中心的人欣赏这些优点，而且他们也喜欢SSD的低能耗特性。对于一家数据中心来说，能耗不是小成本，有时候会有成百上千个驱动器同时在耗电。

不过这不是搭免费便车。SSD不便宜，而且还有工作寿命问题。如果在它们上面写入太多次信息，那么你以后就只能读取它们了。每次需要有大量的记忆体区域而不是单个比特被写入——首先是擦除，一个清除更大片空间的流程——意味着它们不适合那些需要不停写入和重写入数据的应用程序。

解决这个问题对于存储界来说相当于圣杯一样的存在。我们有许多选择——或者说，至少有许多建议——不过它们要想取代NAND闪存芯片目前在SSD中的应用位置还需要很多年。

东京中央大学的一个小组建议一种折中的方式：使用其中一种非易失性记忆体，电阻式记忆体(RRam)，作为外部世界和主机驱动器NAND芯片之间的缓冲。这种“复合”SSD使用闪存来进行大容量存储，同时利用了RRam的速度优势。

RRam使用了某种绝缘体材料的特性，这种材料通常呈现出很高的电阻。它们在这种材料上同时创建出物理的永久的通道，被称为“灯丝”，在这个路径上，电流可以通过。它所需要的就是施加足够高的电压。

这些路径降低了材料的电阻，但是我们可以打破路径，使绝缘体重新回到高电阻状态。重新施加电压，新的路径又形成，然后材料重新进入低电阻模式。

这样，我们就可以维持两种状态之一——高电阻和低电阻——从而让绝缘体可以存储二进制信息。将它连接到一个控制性的晶体管，你就得到一个可用的非易失性记忆体单元。

这种材料的高低电阻转换速度要远远高于它的闪存同行：10纳秒，而NAND需要10万纳秒。因此，电阻式记忆体的写入速度要远远更快——实际上，接近于易失性记忆体，比如Ram(随机存取记忆体).

把电阻式记忆体和闪存结合在一起，让电阻式记忆体扮演高速缓存功能。控制器算法可以将经常读取的数据存放在RRam，在这里，信息可以更快的集合在一起。

另一方面，RRam高速缓存也足够大，因此数据可以存储在那里，直到有足够数量后写出到闪存。

因此，除了让驱动器的速度更接近RRam而不是闪存外，这样做的好处是还可以组织一下数据以便最小化甚至排除那些小的随机的写入，避免这种小的随机写入所带来的数据碎片——这种小的随机写入也是闪存的性能和工作寿命的负面因素。

闪存芯片的设计使得它需要一次写入一整块数据——被称为页面——高达4KB，即使实际上只需要修改数字节内容。这是因为闪存页面需要在它们被写入之 前擦除。更糟糕的是，闪存必须每次擦除一个块，而一个块的大小又远远大于一个页面，有可能是16KB或更大。每次擦除和写入操作都要消耗电能。

高速缓存允许整个4KB写入组成新数据。因此，虽然仍然需要写入4KB，但是在页面的一个部分改变的时候只需要写入一次而不是每次都要写入。

中央大学设计了这样一种复合SSD：使用256GB的闪存和1GB的RRam。这个小组没有构建这样的设备，但是从模拟来看，写入性能提升了11倍 ——闪存本身是4.2MB/秒的速度，在配置了RRam后提升到46MB/秒——同时所有这些写入的能耗降低了79%：从0.12焦/MB降低到 0.024焦/MB。

这个小组认为通过更智能的3D芯片堆叠，连接到控制器上，RRam和闪存芯片用一种通过每个部分的线连接在一起——被称为TSV(通过硅片通道)——能耗节约更可观，可以降低到0.008焦/MB。

写入的减少意味着工作寿命的延长：该小组认为，复合SSD的闪存芯片的工作寿命可以比那些纯闪存的SSD的闪存芯片工作寿命高七倍。当然，复合驱动器的成本更高，但只要高出的成本低于那7个纯闪存SSD，对于大量购买固态驱动器的数据中心来说仍然是好事。

更好的方式是迁移到RRam SSD，不过这需要时间。RRam芯片在2014年以前都不会投入量产。它们要想降低到目前NAND闪存芯片的价格水平还需要几年时间。

中央大学小组的方式也适用于为SSD配置一个普通Ram作为高速缓存。当然，这样做的缺点是，当电源切断的时候，Ram会丢失它的数据，因此驱动器必须有足够的电能在发现断电之后将Ram高速缓存的内容写入到闪存。

在这个日本小组还在等待RRam量产上市的时候，一些公司，比如Sandforce和Indilinx已经在构建更好的闪存控制器来绕过NAND的限制。不过，RRam的速度优势是很难被超越的。