讲解固态硬盘在存储系统使用分析

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正文：引言

　　传统的HDD (Hard Disk Drive )硬盘由干机械架构的存在，其主轴转速基本没有太大的提高空间了，如果非要提升的活，硬盘相应的发热噪音和寿命问题是绝对不可能解决的。在HDD硬盘遭遇性能瓶颈时，SSD(Solid State Disk)固态硬盘却以其速度较快、防震及耗电量较少等优势，拥有着极为广阔的发展前景。目前在企业级高端存储系统中，SSD固态硬盘已经占据了很大的一片市场。

　　1、SSD固态硬盘

　　1.1什么是SSD固态硬盘

　　固态硬盘也称作电子硬盘或者固态电子盘，是由控制单元和固态存储单元(DRAM或FLASH芯片)组成的硬盘。简单的说就是用固态电子存储芯片阵列制作而成的硬盘，固态硬盘在接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致，包括3.5”、2.5”、1.8”等多种类型。由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳，同时工作温度很宽，扩展温度的电子硬盘可工作在-45℃~85℃。固态硬盘的应用领域已经非常广泛，包括军事、车载、工控、视频监控、网络监控、电力、医疗、航空、导航设备等领域。图1所示为SSD固态硬盘。

　　1.2 SSD固态硬盘分类

　　SSD固态硬盘根据存储介质的不同可分为两种，一种是采用闪存(FLASH芯片)作为存储介质的固态硬盘，另外一种是采用DRAM作为存储介质的固态硬盘。

　　基于闪存的固态硬盘，采用FLASH芯片作为存储介质，这种固态硬盘最大的优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应于各种环境。在基于闪存的固态硬盘中，存储单元又分为两类：SLC(Single Layer Cell 单层单元)和MLC(Multi Level Cell多层单元)。SLC的特点是成本高、容量小，但速度快，而MLC的特点是容量大、成本低，但是速度慢。MLC的每个单元是2bit的，相对SLC来说整整多了一倍。不过，由于每个MLC存储单元中存放的资料较多，结构相对复杂，出错的几率会增加，必须进行错误修正，这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外，SLC闪存的优点是复写次数高达十万次，比MLC闪存的高十倍。此外，为了保证MLC的寿命，控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法，使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊，达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。

　　基于DRAM的固态硬盘，采用DRAM作为存储介质，目前应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计、可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD固态硬盘和SSD固态硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。

　　1.3 SSD固态硬盘的优点和不足

　　固态硬盘与普通硬盘比较，具有以下优点：

　　(1)数据存取速度快。固态硬盘没有传统硬盘复杂的机械结构，既没有磁碟，也不存在磁头，它无需花费较长的时间寻道，读取速度更不会受到转速的限制，因此，SSD固态硬盘的读取速度比传统硬盘更快。据测试，搭载SSD固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒，而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒。

　　(2)经久耐用、防震抗摔。由于固态硬盘内部不存在任何机械部件，因此，即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响正常使用。

　　(3)噪音低。固态硬盘由于没有机。械部件，并且芯片发热量小、散热快，因此，工作时噪音很低。

　　(4)工作温度范围更大。典型的硬盘驱动器只能在5℃~5 5℃范围内工作，而大多数固态硬盘可在-10℃~70℃工作，一些工业级的固态硬盘还可在-45℃~85℃甚至更大的温度范围下工作。

　　SSD固态硬盘的不足：

　　(1)成本高。虽然SSD固态硬盘在性能、稳定性、功耗以及发热控制方面已经超越传统机械式硬盘，但固态硬盘的高成本已经成为其普及的最大障碍。

　　(2)标准不统一。目前，SSD固态硬盘还没有一个统一的标准，不同品牌的产品在性能方面的差异很大，因此售价差别较大，不利于SSD固态硬盘的普及。

　　(3)存储容量小。单个硬盘存储容量小也是困扰SSD固态硬盘发展的一大难题。如今传统机械式硬盘凭借最新的垂直记录技术已经向TB级别迈进，而SSD固态硬盘的最高纪录仍停留在256GB(PQI推出的2.5英寸SSD产品)左右。

　　2、SSD固态硬盘在存储系统中的应用

　　固态硬盘每秒输入输出(10Ps)可以达到8000次写入，而传统的磁盘驱动器的输入输出(IOPs)只有180次写入，另外，固态硬盘没有移动部件，能源开销很低，因此，通过使用固态硬盘，不但可以将存储系统性能提高不少，同时，存储系统消耗的能源也会比利用传统硬盘的存储系统大幅降低。当前，固态硬盘在存储系统中的应用形式主要有三种。

　　2.1存储系统中添加SSD固态硬盘实现分层存储

　　现在的存储系统都是为了降低机械磁盘高延迟和低IOPs所带来的影响而设计的，但对SSD固态硬盘来说，情况已经发生了改变，一旦太多固态硬盘添加到存储系统中，磁盘阵列控制器就变成了瓶颈，这种性能瓶颈在高端磁盘阵列也是不可避免的，因此，在哪款磁盘阵列巾可以添加多少块固态硬盘都必须认真研究，以期达到最高的使用效率。

　　分层存储是根据数据的重要性、访问频率、保留时间、容量、性能等指标，将数据采取小同的存储方式分别存储在不同性能的存储设备上，通过分层存储管理实现数据客体在存储设备之问的自动迁移。数据分层存储的工作原理是基于数据访问的局部性，通过将不经常访问的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访问的数据，可以获得更好的性价比，提高整个系统的存储性能。

　　分层存储是根据其体应用可以变化的，存储级别的划分是相对的，可以分为多种级别。如可以采取SSD固态硬盘—FC磁盘—SCSI磁盘—SATA磁盘四层存储结构，也可以采取SSD固态硬盘—FC磁盘—SCSI磁盘—SATA磁盘—磁带五层存储结构，具体采用哪此存储级别需要根据具体应用而定。但总体而言存储系统可分为两个层级:第一个是高性能层级，这个层级主要存储关键应用，例如事务处理，数据库系统等需要极快相应的热数据，随着固态硬盘在存储系统中的应用，这一层越来越多的由固态硬盘来担任了;而另一个是高容量层级，可依旧由廉价的磁盘等磁盘来担任。图2所示为一个存储系统的分层结构。

　　2.2在存储系统中把固态硬盘作为存储控制器中的高速缓存

　　部分存储系统厂商如NetApp、Sun等也将固态硬盘作为存储系统的缓存来使用，这样就避免了过多的固态硬盘加入使得阵列会可能出现一些意想不到的情况。作为缓存使用时固态硬盘就好像一块额外的DRAM(Dynamic Random Acccss Memory,动态随机存储器)内存。目前许多存储控制器都是一个封闭的系统，无法增加缓存卡，而唯一补充缓存的办法就是将固态硬盘当做缓存来使用，通过固态磁盘前端化，而不是替换磁盘驱动器，所有的数据和应用都可以从SSD固态硬盘中受益，而不仅仅是存储在SSD固态硬盘层上的数据。固态硬盘作为缓存可以极大地提高整个存储架构的性能，并且不需要增加额外的软件和员工培训，但这种设计与分层存储不兼容。

　　2.3独立的固态硬盘阵列

　　在存储系统中增加独立的基千固态硬盘的磁盘阵列与传统存储阵列并行运行是对存储系统影响最小的方法，TexaS Memory Systems公司是独立SSD固态硬盘阵列的领导者，该公司提供基于DARM和NAND闪存SSD固态硬盘的阵列系统。独立的基于固态硬盘的磁盘阵列不能利用现有的阵列部件，所以一般成本更高，而且，和传统磁盘层的结合与其它方式相比更松散，使得在SSD固态硬盘和磁盘层之间的数据迁移变得困难。

　　3、结束语

　　当前看，虽然价格因素依然是限制固态硬盘扩大市场份额的桎梏，但SSD固态硬盘所具有的传输速度快、能耗低、噪音小和防震的特点非常有吸引力，因此随着技术的不断进步和成本的逐步降低，在未来的存储领域，特别是在中高端存储市场，固态硬盘必定会取代传统硬盘。

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