▲溫切斯特硬盤結(jié)構(gòu)包括盤片、機械馬達、機械臂，機械馬達帶動盤片高速旋轉(zhuǎn)，與此同時，機械臂驅(qū)動磁頭運動到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存取區(qū)域讀取數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)庫的IO特征是短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的離散IO，磁頭需要頻繁的尋址與換道來讀取數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的磁盤在大量離散IO情況下往往捉襟見肘

關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的讀寫IO通常由4-8KB大小的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成，這些數(shù)據(jù)塊一般被隨機訪問。正是因為每個數(shù)據(jù)塊大小都極其微小，而數(shù)據(jù)庫讀寫模式又是隨機讀取，因而磁頭需要頻繁的尋址和換道來讀取數(shù)據(jù)，實際上，關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用性能很大程度上取決于磁盤IO讀寫延時。在某些運行速度較慢的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中，CPU甚至需要長時間等待磁盤I/O操作的完成。

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用對磁盤IO能力的需求本身已經(jīng)很苛刻，而不斷增加的磁盤容量又給這個局面雪上加霜。長期以來，制造工藝的進步不斷推動磁盤容量飛速擴張，然而磁盤I/O能力的增加卻相對緩慢，跟不上磁盤容量的急劇增加。這樣造成的問題就是，同樣的數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用容量，以往可能需要多塊磁盤來滿足存儲需求，現(xiàn)在則通常傾向擁有更少的磁盤，使得原本就捉襟見肘的磁盤IO更加力不從心。

根據(jù)英特爾估測數(shù)據(jù)：2009年服務(wù)器數(shù)據(jù)負荷中，超過50%的情況是受制于輸入/輸出(IO)性能，為了獲得整體性能的同步提升，存儲硬件已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心的最大單項資本投入。

不同場景下的SSD應(yīng)用性能

面對數(shù)據(jù)庫的高并發(fā)、高IOPS的存儲需求，固態(tài)硬盤(SSD)給出了完美的解決方案。盡管如此，采用不同工藝制程的SSD提供了不同等級的性能，我們針對不同技術(shù)的固態(tài)硬盤(如基于Flash、基于DRAM的固態(tài)硬盤)，以及傳統(tǒng)硬盤應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)工具進行性能評測，結(jié)果如下表：

▲圖：傳統(tǒng)HDD在不同數(shù)據(jù)塊大小下的性能表現(xiàn)

▲圖：Flash SSD在不同數(shù)據(jù)塊大小下的性能表現(xiàn)

▲圖：DRAM SSD在不同數(shù)據(jù)塊大小下的性能表現(xiàn)

經(jīng)過一組測試數(shù)據(jù)的分析，我們認為DRAM SSD是當(dāng)之無愧的性能冠軍，在任何數(shù)據(jù)塊大小的測試環(huán)境下，DRAM SSD都保持了良好的性能表現(xiàn)。不過硬幣的另一面則是，DRAM的成本也極其昂貴，目前看來很難獲得普遍性應(yīng)用。

基于Flash的SSD則較好的實現(xiàn)了性能和成本的平衡，我們看到，在4K到8K數(shù)據(jù)塊大小下，F(xiàn)lash SSD性能相比HDD提升顯著。這是因為SSD消除了傳統(tǒng)HDD內(nèi)部磁頭尋道的機械運動時間所致。

HDD的各項測試指標(biāo)毫不意外的居于最后，我們甚至可以計算一下這個成績的由來——磁盤平均尋道時間與旋轉(zhuǎn)延遲的和大概可被估算為5~10毫秒，由此造成了傳統(tǒng)磁盤與固態(tài)硬盤之間顯著的性能差異。不過當(dāng)數(shù)據(jù)塊大小增大的時候，傳統(tǒng)磁盤的讀寫速度也有所提升，當(dāng)數(shù)據(jù)塊大小為128KB的時候，提升效果甚至十分明顯。遺憾的是，關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫通常的數(shù)據(jù)塊大小是圖上紅色標(biāo)注出來的4~8KB。

數(shù)據(jù)中心中SSD的應(yīng)用場景

上圖顯示了SSD在小數(shù)據(jù)塊離散讀寫的情況下獲得的顯著性能提升，英特爾則為我們總結(jié)了在數(shù)據(jù)中心中，通過SSD獲得性能提升的場景還有多種情況。

▲數(shù)據(jù)中心SSD的應(yīng)用場景

無論在SAN存儲網(wǎng)絡(luò)還是CAS歸檔存儲，無論是服務(wù)器端還是網(wǎng)絡(luò)端，都存在應(yīng)用SSD發(fā)揮強大性能優(yōu)勢的舞臺。例如，上圖顯示了應(yīng)用SSD作為系統(tǒng)啟動盤的情況下，由于系統(tǒng)的啟動過程往往也涉及到大量小文件小IO讀寫，應(yīng)用SSD同樣能夠顯著提高系統(tǒng)的啟動速度，這一點相信在筆記本中應(yīng)用SSD的個人消費級用戶已經(jīng)早有體會。

DRAM SSD盡管成本高昂，但在一些對性能要求極為苛刻的環(huán)境下，應(yīng)用DRAM作為緩存，同樣對提高系統(tǒng)整體性能有著“四兩撥千鈞”的功效。有經(jīng)驗的系統(tǒng)維護人員在數(shù)據(jù)庫日常使用中會發(fā)現(xiàn)，之所以數(shù)據(jù)庫運行性能狀況不佳，往往是因為系統(tǒng)中存在一小部分熱點數(shù)據(jù)塊被頻繁使用，磁盤的機械磁頭頻繁的來回讀寫這部分熱區(qū)數(shù)據(jù)，給整個系統(tǒng)拖了后腿。

如果將這部分I/O請求最多、最熱的數(shù)據(jù)塊存儲到基于DRAM的緩存中，就能夠極大的提升整體系統(tǒng)的應(yīng)用性能。當(dāng)然，同時也需要考慮到，基于DRAM的SSD目前成本仍然居高不下，不過，如果只是少量的高IO需求數(shù)據(jù)存儲到DRAM緩存中，而其余大部分較 “冷”的，讀寫并不十分頻繁的數(shù)據(jù)仍然存儲到傳統(tǒng)的硬盤上，同樣能夠在可接受的成本范圍內(nèi)獲得最大的性能提升。

英特爾企業(yè)級SSD戰(zhàn)略剖析

主導(dǎo)X86服務(wù)器技術(shù)和產(chǎn)品更迭與創(chuàng)新的幕后巨人英特爾，在推動摩爾定律不斷向前發(fā)展的同時積累了微電子半導(dǎo)體領(lǐng)域的頂尖技術(shù)和生產(chǎn)工藝，因而做起SSD閃存芯片起來也是得心應(yīng)手。英特爾推出的面向企業(yè)級應(yīng)用的SSD產(chǎn)品目前包括兩個系列，基于SLC閃存芯片的SATA接口SSD：X25-E，以及基于MLC閃存芯片的 SATA接口SSD：X25-M。技術(shù)指標(biāo)規(guī)格如下表所示。

今年秋季Intel IDF上，下一代企業(yè)級產(chǎn)品710、720系列產(chǎn)品已經(jīng)正式推出。據(jù)稱，新一代企業(yè)級SSD在閃存芯片方面改用了25nm工藝的HET MLC NAND技術(shù)，容量規(guī)格包括100GB、200GB和300GB，緩存容量64MB。接口仍然采用了3Gbps SATA接口。

此外，更高端的720系列SSD首度采用了PCI-E接口，擁有200/400GB基于34nm工藝的SLC閃存芯片，緩存達到512MB，讀寫性能十分驚人。順序讀和順序?qū)懰俣确謩e達到2.2GB/s和1.8GB/s，隨機讀寫也達到了180000及56000 IOPS，上圖為最新Intel 710/720 SSD規(guī)格指標(biāo)。

▲Gartner預(yù)計不同接口的SSD市場份額

此外，英特爾與美光合作的基于20nm制程的NAND芯片也呼之欲出，有望使閃存芯片密度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加倍，進一步降低SSD(固態(tài)硬盤)存儲成本。

推動SSD標(biāo)準(zhǔn)化進程

不過，提高閃存工藝標(biāo)準(zhǔn)并不是英特爾唯一在做的事情，擅長推行標(biāo)準(zhǔn)化的英特爾也將標(biāo)準(zhǔn)化進程引入了SSD領(lǐng)域。一方面推行標(biāo)準(zhǔn)化降低閃存及固態(tài)硬盤工藝成本，另一方面也借此鞏固其在固態(tài)硬盤領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

英特爾從2006年開始就組建了開放式閃存接口組織(ONFi)，目前已有90多個成員，共同推動閃存接口標(biāo)準(zhǔn)化。目前，ONFi正在下列兩個方面積極努力：ONFi 3.0標(biāo)準(zhǔn)致力于進一步提升NAND接口性能，從200MT/s提升至400MT/s，此外，ONFi 3.0版本還將與ONFi 1.x與2.x完全兼容。

此外，ONFi組織還致力于發(fā)展零糾錯碼NAND，將依賴于NAND制程的功能從控制器中剝離出去，ECC(和其他功能)可以轉(zhuǎn)由內(nèi)建于NAND的 ASIC芯片來執(zhí)行，而傳統(tǒng)的NAND協(xié)議(寫、擦除等)則完全不變。從而降低主控的負擔(dān)，使其輕松跟上極速發(fā)展的NAND性能。

此外，英特爾認為，基于PCI-E接口的SSD可以保證足夠的有效帶寬，為未來更高性能的固態(tài)硬盤甚至固態(tài)硬盤陣列提供足夠的數(shù)據(jù)通道，并且直插的方式同時減少了外圍組件的成本。英特爾也在積極的推進企業(yè)級NVMHCI(非易失性存儲主機控制器接口，Non-Volatile Memory Host Controller Interface，簡稱NVMHCI)標(biāo)準(zhǔn)。

目前NVMHCI標(biāo)準(zhǔn)的1.0版本已經(jīng)在制定過程中，致力于解決目前PCI-E接口存在的性能瓶頸，支持高效的新型命令組，支持信號中斷(MSI-X)和中斷聚集，支持虛擬IO，高效的錯誤處理模式，并能將驅(qū)動程序轉(zhuǎn)換成業(yè)界流行的SCSI管理架構(gòu)。NVMHCI接口將充分考慮企業(yè)級服務(wù)器的應(yīng)用情形，建立高效的接口標(biāo)準(zhǔn)以勝任高IOPS應(yīng)用，使OS供應(yīng)商能夠推出一種適用于所有PCIe SSD的標(biāo)準(zhǔn)的高校驅(qū)動器，簡化OEM驗證過程，每個OS只需一個驅(qū)動器，并縮短PCIe SSD的上市時間。

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