固态硬盘在企业存储领域的优劣势分析

0层级存储可能是一个较新的词汇，但是0层级存储最常使用的固态存储技术，却存在了许多年。直到最近在消费电子领域的NAND flash的高速发展，才使得制作NAND flash的成本大大降低。NAND flash逐渐开始被用于需要高性能表现的高端应用。

最近，EMC将支持SSD的能力加入了Symmetrix产品线，这就是一个明确的信号，相信未来，固态存储不会再是小众化的选择，而将逐步进入主流产品配置。但是目前大多数磁盘阵列厂商都没有将固态存储加入到产品线，因为现在企业级NAND flash的价格虽然下降了不少，但是对比企业级FC磁盘，还是贵很多。

磁盘阵列厂商虽然没有大规模的采用NAND flash，但是他们对于NAND flash的兴趣与日俱增。而过去的固态存储多是基于DRAM的。DRAM和NAND flash在容量、稳定性等方面都有所不同。

NAND flash与DRAM

NAND flash对比DRAM有一个较大的优势：保存数据不用电力支持。所以，对于USB thumb这样的设备、相机、手机而言，还是很有吸引力的。也正是因为消费电子市场的需求驱动，大量的金钱被投入到了NAND flash的研发。结果就是NAND flash急速发展，NAND flash拥有了越来越大的容量、越来越好的I/O能力，而且价格不断走低。

2004年到2006年，多数NAND flash还是2Gbit 或4Gbit的 multi-level cells (MLCs)，而更低容量的single-level cell (SLC) NAND flash则被用于企业领域，当时还是90纳米制程，最大支持每cell 2bits。今天50nm制程的16Gbit的 MLC flash支持3bits和4bits每cell，这样的配置已经很常见了。

NAND flash中， MLC flash的可靠性和速度都稍差，但是容量较高。而single-level cell (SLC) 的容量较小，却有更高的速度。因此SLC多被用于企业存储系统。尽管企业级的基于flash的SSD的价格还大概是相同FC磁盘的20倍，但是其价格下降的速度却相当迅速。从另一个角度来看，每I/O的价格，固态驱动器已经是更划算的选择。Enterprise Strategy Group (ESG)企业策略集团的分析师Mark Peters认为“未来3~5年，固态硬盘将会变成商业存储的标准。”

分层存储的最高级

面对固态存储和高级硬盘，用户可以有选择的部署应用。关键应用，例如事务处理和数据库系统，现在是固态存储最常用的地方。目前，Exchange Server 和SQL database就经常部署在固态存储之上。纽约奢侈品商店Loro Piana 的IT经理Aaron Martin表示“我们最近在10Gigabit 以太网 Nimbus [Data Systems Inc.]上测试固态存储，以便评估固态存储对于整体性能的提升。”

在磁盘阵列上，随着固态存储被越来越多的使用，数据在固态存储层级和其他层级之间的自动迁移的能力变得很重要。尽管层级存储管理和信息生命周期管理，目前都支持数据在不同层级之间的自动迁移，但是仍旧只有20%的企业级客户采用自动迁移。大部分的公司还是采用手动来迁移0层级存储和其他层级之间的数据。

IBM的系统存储产品线首席策略师Clod Barrera表示“为了让0层级存储更有效率，管理软件应该充分的支持数据在不同层级之间的迁移。我们将在IBM的DS8000磁盘阵列中，添加0层级存储，TotalStorage Productivity Manager将可以管理0层级存储。

除了IBM，EMC'的Symmetrix的Management Console（管理控制台）也支持数据在不同层级之间的迁移，其中也包括0层级。”

随着固态硬盘的价格和传统硬盘的价格逐渐接近，传统的高端磁盘驱动器需求可能将会被SSD所取代。此外，由固态硬盘所组成的0层级的容量将会增长，而高端磁盘组成的1层级存储容量将可能适度缩小。

当然，或许未来的固态存储将完全取代磁盘存储。F5 网络公司的数据系统架构副总裁Rick Gillett表示“虽然存储可能有很多层级，但总体而言有两个层级：第一个是高性能层级，这个层级越来越多的由固态存储担任；而另一个是高容量层级，依旧由廉价的SATA担任。”

与传统磁盘对比SSD的性能优劣势

与传统磁盘比较，固态应判除了有着突出的性能优势，还拥有节能方面的突出特性。

费用：按照容量考虑，固态硬盘是传统硬盘价格的20倍。如果考虑每I/O的性价比，固态硬盘更划算。

性能：固态硬盘比传统磁盘各方面都强，有更高的I/O和更低的延迟。基于NAND flash的固态存储，对比企业级磁盘有较低的写速度。

能耗：固态硬盘每瓦特，可以执行1000次操作，而传统的企业级磁盘，只能进行5次操作。

可靠性：固态存储比传统磁盘更容易损耗。

固态存储固然有着较高的性能和较低的能耗，但是固态存储也面临若干挑战，等着存储厂商去解决。

可靠性：NAND flash在寿命终结之前，一个flash-memory cell只允许一定量的写操作。EMC的高级产品主管Bob Wambach表示， “100,000次循环对于一个SLC flash cell是很正常的，可实际上，你肯定想要更大的寿命完结前的写次数。100,000次循环，真的很局限。”

尽管 100,000次写操作对于flash cell而言不是太令人满意，但是像STEC这样的公司还是可以保证他们的产品有三年以上的质保，MTBF(平均无故障时间)也达到了2~4百万小时，而传统上的企业级硬盘只有1百万小时的MTBF。硬盘使用寿命的延长，得益于STEC的一些技术，例如用损耗平衡算法来分布写操作到不同的Cell上，来进行坏区管理。目前的NAND flash已经可以满足企业级的需求。除此之外，很多磁盘阵列厂商也将固态硬盘纳入了RAID配置中，这样就更进一步减少了数据损失的风险。

读和写性能差距：flash cell写操作性能的缓慢和读操作性能的高速形成了鲜明的对比。Flash cell的写速度和寿命都不理想的根本原因，主要是由于flash cell处理写操作的方法特殊：cell组成区块被访问，而当写一些数据到一个区块的时候，区块中的cell都需要开放，而已经存在的内容需要被擦除，最后cell需要被关闭。这个过程无疑增加了写数据的复杂程度和时间。

近年，通过小DRAM缓存技术的使用，企业级flash驱动器厂商开始拉近读和写之间的距离。STEC的市场发展部副总裁Pat Wilkinson表示“我们的企业级Zeus驱动器支持18,000随机写IOPS和52,000随机读IOPS。”这恐怕达到了企业级磁盘的数百倍，在企业级磁盘中，如果想要提升存储的IOPS，恐怕只能增加磁盘的数量。

在磁盘阵列中用SSD替换传统磁盘

作为磁盘阵列厂商，他们都希望一旦采用了固态存储不会对他们的产品和性能有负面影响。由于固态存储的性能并不是太均衡，所以磁盘阵列必须正确配置那些固态存储，以防止固态存储对磁盘阵列造成负面影响效应。不论是复制、镜像、又或者是自动精简配置，所有的属性都必须与固态硬盘正确的匹配。采用固态存储的关键在于，磁盘阵列厂商必须设计出一个可以包容NAND flash古怪特性的存储架构，但这并不容易。

NetApp有Write Anywhere File Layout (WAFL)专利技术。WAFL主要是用来减少磁盘关键活动和随机写操作。WAFL可以不间断的移动数据，来使访问连续。因此，对于NetApp而言，采用固态硬盘更加困难，因为flash驱动器的寿命将更快的被损耗。相比之下，还是传统磁盘上的数据更加静态。尽管NetApp并没有对此公开表态，但是这也很好的解释了NetApp在第一代固态存储产品推出时，固态硬盘只是选装而已，并没有完全替代传统磁盘。

固态磁盘溶于磁盘阵列架构的方式通常有两种。首先，是固态存储直接替换传统磁盘。很简单的，固态磁盘可以直接加到已经存在的磁盘阵列。EMC'的Wambach表示“在EMC Symmetrix磁盘阵列加入固态存储的最大挑战，是无缝整合固态存储层级和其他层级，并且所有的功能都工作正常。”

实际上，EMC第一代固态存储部署的采用，磁盘阵列的整体架构没有任何改动。因为当时的磁盘阵列还是专门为传统磁盘设计的，一旦太多固态硬盘添加到存储中，磁盘阵列控制器就变成了瓶颈，甚至高端磁盘阵列Symmetrix DMX-4也不能避免这种性能瓶颈。

因此，在哪款磁盘阵列中添加多少块固态硬盘，都是很深的学问。IBM 的Barrera表示“随着固态硬盘的逐渐普及，现在的磁盘阵列都需要重新设计，以便能够更好的适应高性能的固态硬盘。”

在磁盘阵列中把固态存储作为缓存使用

除了直接替代之外，NetApp在其第一代架构中，将固态存储作为缓存使用。NetApp核心架构副总裁Chris Bennett曾经表示，“固态存储在企业级存储的功用，现在还有待证明。我们现在的做法还是比较保靠，暂时只将固态存储作为缓存使用。”

具体来看，NetApp使用固态存储内存来缓存元数据。通过存储元数据的备份到存储控制器的NAND flash PCI-e卡上，元数据可以以内存的速度被访问。这种性能的提升是显著的，Bennett说“元数据在固态存储内存上被访问，这样一来，在典型的Exchange环境中，我们大概可以提升40%的性能。”

跟NetApp类似，Gear6也专注于使用固态硬盘作为缓存，而不是彻底替换磁盘。Gear6的市场副总裁Gary Orenstein表示，“采用内存作为长期的存储将会有很多问题，比如说管理问题。这可能得不偿失。”该公司的Cachefx应用提供了DRAM或NAND flash的资源池，来加速用户和NAS设备的通信。Cachefx好像NAS一样被访问，只是Cachefx暂时只支持NFS协议。

一些固态存储系统，比如像Texas Memory Systems（TMS）公司正在尝试简单的方法将固态存储带入数据中心。该公司尝试将固态存储直接加到SAN中，而且就好像传统磁盘一样被访问。这是一种非常简洁的方法，一个固态硬盘的0层级存储。它可以减少对于磁盘的消耗。

TMS的 RamSan系列可用DRAM或者NAND flash配置，给了消费者选择的余地。不像别的磁盘阵列厂商才刚刚开始采用固态硬盘，TMS一直以来都销售基于固态硬盘的存储系统。但是固态存储需要自己的一套独立系统来管理。随着NAND flash的价钱下跌，添加固态存储到已经存在的磁盘阵列上可能会变得更加合适，一个独立的固态硬盘系统可能性价比不是太理想。

总结：固态存储将成为磁盘阵列的标准配置

EMC和小一些的厂商，像Nimbus Data Systems，是第一批推出0层级固态存储的厂商。其他的磁盘阵列厂商虽然没有动作，但是也在密切观望，日立数据目前正在研究固态存储。HP也计划提供固态存储到其StorageWorks XP24000磁盘阵列中，在未来的9~18个月中，IBM也计划在DS8000高端磁盘阵列中添加固态硬盘。

在未来2~3年中，0层级固态存储将会变成磁盘阵列的标准配置。而价格却会比现在低很多。长期来看，NAND flash的价格一直在下降。固态存储驱动将会全面替代高端磁盘，不过这可能还需要至少5年时间。

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