从数学计算看固态硬盘应用趋势

看起来市场上好像是出现了一个新的存储技术--固态硬盘（SSD），然而，实际上它是由旧技术结合现在的闪存从而产生的固态硬盘而已。

大约在10年前，固态硬盘公司和固态硬盘驱动器是存储业界的一大热门，然而在2000-2002年间，它们的市场变得不景气，几乎退出了市场。有很多原因导致固态硬盘使用不便利，然而，为什么以闪存为基础的固态硬盘突然成为热点，这一代驱动器是否会走上一代固态硬盘的老路？

早在八十年代中期，那时我在Cray研究所，我就开始使用固态硬盘了，因此，对于它的优缺点，我有长期的了解。我可以告诉你一些关于我是如何在无法运作的情况下使用固态硬盘的基准法则，正是这些准则带来了好的结果。我注意到最近供应商们在宣称固态性能如何好，我对于其测试环境很好奇，因为那些广告几乎好得不真实。当您买车时，至少会有人告诉你，你走行的英里可能会不同。

闪存的成本比较高，那么它能够成为存储层的一部分吗？答案是肯定的。固态硬盘的性能也比磁盘驱动器的好得多。如果你采用的是标准的一万五千转2.5英寸的SAS硬盘，每个驱动器可以承担250个随机IOPS。网络搜索显示，固态硬盘供应商声称，写入IOPS数目要高得多--从10倍到高达72倍，而读取IOPS值则高达200多倍。这样可以节省大量的磁盘驱动器，电源，RAID控制器，磁盘和线路连接。

然而固态驱动器也存在些问题，如果你打算在你的企业存储环境下使用固态驱动器，你就必须考虑这些问题。

写入耐久性和损耗均衡

网上关于闪存和损耗均衡的信息特别多。做一个简单的搜索，就会搜到很多该市场主要参与者（ SanDisk公司，东芝及其他公司）的很多文章。必须明白的是，对于大多数目前的闪存，只能写成大约10万次。10万次后，闪存就开始产生错误，并可能在磁盘驱动器上出现类似的错误。损耗均衡基本上基于使用设备时块移动的次数和速度。

假设你有一个32 GB SATA接口的固态硬盘闪存。如果您向同一个位置写入1 MB，也就是说， 按100 MB /秒的速度，最高可写10万，你将在1000秒内达到极限。很显然，这是不能接受的，也是极不可能的。损耗均衡将依赖于移动块，从而让您在不同的地方进行写数据。 您的32 GB 固态硬盘可能会是一个可用空间为32GB的40 GB 固态硬盘。 8 GB的空间是由固态硬盘接口动态管理的，将移动快分配在不同的地方，这样你就可以在不同的地方写数据，这就是损耗均衡。但问题是，损耗均衡是否能解决你的所有的问题呢？

下面用Mtron 的例子来说明。这是一个建立起高性能固态硬盘的韩国公司 。一个IT网站提供了一个很好的审查标准。我已从中提取了一些相关资料（见表：）

Performance	Average Access Time* Sustained Read** Sustained Write** IOPS*** (Sequential/ Random)	0.1 msec 100 MB/sec 80 MB/sec 78,000/16,000
Endurance	Write Endurance Read Endurance Wear-leveling algorithm	>140 years @ 50GB write per day**** Unlimited Dynamic and static wear-leveling
Relaibility	MTBF ECC Bad Block Management algorithm	1,000,000 hours 7-bit Error Correction Code (ECC)
Test Environment	1. Test Item: MSD-SATA3025 ( 2.5 , 32GB, SATA1 ) 2. Test PC: AMD Athlon 4800+ Dual Core (2.4GHz) 1GB RAM, NVIDIA nForce 570 Ultra MCP (UDMA133/SATA2), Windows XP SP2 * HD Tach 3.0.1 ** ATTO Disk benchmark 2.02 *** IOMeter July 30, 2004 **** Sequential Write, 32GB Mtron SSD

应该指出的是，Mtron公司提供了比许多其他供应商更多的信息，这些信息与其他供应商提供的信息同属于一个范畴，如上所述，Mtron的32 GB 固态硬盘以80 MB /秒的最高性能记录。Mtron可以用相当小的块来做这些，小到不到128 KB 。写入寿命达140年。请注意，这是基于每天顺序写50 GB。我认为他们的意思是50 GB的顺序写向相同的块地址。 50 GB每天平均约0.59 MB /秒。

我个人并不认为在写密集环境里这数据很高，如文件系统元数据或大型数据库是重新建立索引的环境。如果一个的SAS 15K的2.5英寸硬盘，可以做到250 IOPS与512字节的随机I / O ，即12.8万字节的I / O每秒，或刚刚超过20 ％的写入计划的固态硬盘 。这与声称的使用中10倍或72倍完全不同，但当然固态硬盘的潜力要好的多。

基本上，Mtron所声称的写入计划我认为是无用的。让我们考虑最多的表现与128 K的I / O和重新计算一个较为合理的写入计划价值期望。据Tom的硬件文章，最低传输率是73.8 MB /秒，平均74.2和最高的76.5 MB /秒，这比起其他闪存设备或SATA硬盘驱动器的最低或平均表现是非常快的。在我看来，最高速度和平均速度之间的差异是令人难以置信的好。

假设设备的写入计划是140年，每年365天，每天50 GB，或基于Mtron信息的2555000 GB，这可能在短短410.3天内（ 2555000 * 1024 = MB除以73.8 * 3600秒，在一小时* 24小时=410.3天）到达使用性能的最低值。用最大的价值76.5 MB /秒生产一年多，或395.8天，这当然远远少于140年，但是我们必须考虑到几乎没有设备能够以这样的数率持续写。我认为在4到5年内在高强度写的环境下使用是合理的。关于RAID系统的生命周期，在性能和密度不断变化的情况下，很多工厂的磁盘驱动器的寿命不超过5年。因此，如果mtron的规格是正确的话，那么该装置将在交易数据可以被存入闪存装置的环境下发挥更好的作用。

有关S.M.A.R.T的考虑

S.M.A.R.T （自我监测，分析和报告技术）是磁盘驱动器制造商们一个公认的标准。截至今天为止，据我所知，一些闪存厂商支持S.M.A.R.T，但由于 S.M.A.R.T是一种为磁盘驱动器而建立的标准，一些在闪存上出现的错误可能不适合S.M.A.R.T框架。当整合一个能够预测失败而确保其可靠性的 RAID装置时，任何RAID供应商必须将闪存供应商的S.M.A.R.T执行情况结合到其监测和管理的框架中。

由于对闪存的 S.M.A.R.T数据统计没有固定的标准，但是我觉得在未来这个会变得更有意义。SMART和闪存的整个区域需要在接下来的几年内设计出来，但我怀疑在大公司进入固态硬盘闪存设备市场之前，其设计是不会完成的。成本和时间，尤其是制定标准的过程使我们不太可能将其完成。如果RAID供应商们结合在一起，并迫使目前的固态硬盘供应商创造一个标准，提供对可预见的失败进行分析，这样才有可能将其在几年内设计出来。这个问题需要及时解决，以确保固态硬盘闪存在企业环境中的可靠性和可用性。

我相信固态硬盘闪存芯片是我们未来存储层次的一部分。对于解决所有的问题来说，它们太小太昂贵。我个人判断，它的成长道路和成本道路与传统的磁盘不会有太大的差别。是的，闪存设备变得越来越密集，磁盘也以不同的速度变得密集起来，但我认为，增长路径将会变得平稳。无论如何，固态硬盘闪存是我们的未来，但那些早期采用者们必须谨慎行事，认清它的问题和局限。磨损水准和监测对固态硬盘闪存芯片的可靠性至关重要，但我并不确定其涵盖了所有基准。

【注：本文作者为Henry Newman，他是国外著名存储网站的负责人，在高性能计算和存储方面有27年的经验的企业顾问。】