企業級SSD門檻有望降低

幾乎所有的IT分析機構都將基于閃存的固態硬盤(SSD)列為2010年的幾大技術趨勢之一，本報今年第一期的“2010十大技術展望”中，閃存技術也被列入其中。但目前仍有一些因素阻礙SSD的廣泛采用，其中一個重要原因就是其高昂的價格。不過，也許這種情況很快就會發生變化。

在基于閃存的固態硬盤

(SSD)領域，眼下一場

頗為激烈的爭論正在進行，其焦點就是企業級SSD能不能使用多層存儲單元(MLC)技術，而不是單層存儲單元(SLC)技術—目前，SLC技術在企業級SSD中正占據著主導地位。Objective Analysis市場研究和咨詢公司認為，企業級SSD不但會使用MLC技術，而且在不遠的將來，幾乎所有的企業級SSD最終都會采用MLC閃存。

持以上觀點的人所考慮的因素主要包括:

● MLC閃存的價格可能大大低于SLC閃存;

● 許多企業級SSD不需要SLC閃存所提供的那么高的耐用性;

● 盡管MLC的速度不及SLC，但SSD的控制器可以彌補或緩解速度差異;

● SSD控制器正在迅速得到改進。

價格

2008年年底，SLC NAND的價格達到MLC的4.5倍(見圖中的虛線)。由于固態硬盤生產商們預計SLC的價格會保持兩倍于MLC閃存的價格，因此，他們對這種情況自然相當擔憂，并開始研究是否可以轉而生產MLC閃存。讓人意外的是，之后的發展比預料的要好，第一批基于MLC的企業級固態硬盤就這樣面世了。

然而重要的是，為什么會出現這種價格上的差異呢?畢竟SLC芯片的模片區(die area)只是大約兩倍于MLC芯片的模片區。

之所以出現價格上的差異，是由于使用SLC閃存的應用領域寥寥無幾，于是許多NAND制造商干脆停止生產SLC閃存。制造成本與廠商生產的任何一款芯片的絕對出貨量有關，因此，制造商們迫切希望減少所生產的芯片的品種。由于生產SLC NAND的生產商很少，加上SLC產量縮減，改而投產MLC，貨源緊缺情況隨之出現，同時競爭性報標也拉高了價格。

耐用性

SSD控制器已經采取諸多方法把NAND的耐用性問題在系統面前隱藏起來。比如說，大多數SSD使用DRAM用于寫操作合并(write coalescing)，這個方法是指從閃存塊的幾個不同部分合并寫操作，通過一次性操作把它們呈現給閃存塊，而不是作為小的寫操作序列。盡管單單這一步就能把寫操作次數減少一個數量級，但DRAM還可用做寫操作高速緩存，在很短時間內把多個寫操作“誘捕”到同一個位置—高速緩存設計人員將其稱之為“時間局部性”(temporal locality)，從而把寫到NAND的操作次數再減少一兩個數量級。

除此之外，還采用了損耗均衡(wear-leveling)和超量配置(over-provisioning，固態硬盤中的NAND數量超過允許系統看到的數量)等其他技術，實際寫到任何閃存塊的操作次數因而會變得極少。

軟件執行中進行了數量眾多的寫操作周期，用戶并沒有意識到。大多數用戶以為，只有用戶保存文件時，才會出現寫到磁盤的操作，但實際上，操作系統會不斷把小頁面的各種內部處理數據寫到磁盤上。

Xiotech公司在2009年閃存峰會上展示的測試結果表明，Windows 7一次簡單的啟動過程會涉及100.1萬次磁盤輸入/輸出操作，其中1/4是寫操作。由于許多用戶每天只啟動一次電腦，那么，這么高的數字會讓人以為電腦中的SSD在相對較短的時間里出了什么故障。然而，由于寫操作合并、高速緩存、損耗均衡和超量配置等技術減少并隱藏了這些寫操作，固態硬盤實際出現的損耗會大大減小，數量眾多的磁盤輸入/輸出并不能表明什么。

速度

許多固態硬盤廠商充分利用了固態硬盤架構的一個固有優點，即固態硬盤中數量眾多的NAND芯片使設計人員得以利用并行數據路徑來增加內部帶寬。如果可以同時讀取、寫入及擦除多塊芯片，為什么要在一塊芯片上執行輸入/輸出操作呢?比如說，英特爾的固態硬盤使用10個內部通道，SandForce的固態硬盤控制器使用16個通道，而Fusion-io的固態硬盤使用25個通道。

大多數系統面臨的限制因素在于，控制器上輸入/輸出引腳數量的增加會提高控制器成本。另外，如果要求系統使用多個通道，那么，SSD的最小容量就比支持較少通道的同一控制器的SSD要大。

有了所有這些通道，SSD的內部數據路徑通常比輸入/輸出通道所能支持的速度快得多。而說到SLC與MLC之爭，不管使用哪一種閃存，固態硬盤的內部讀取速度都會比輸入/輸出通道快得多，而速度可能明顯不同的惟一方面體現在寫操作上。如上所述，實際寫到NAND芯片的操作次數非常少，而這種數量銳減的寫操作在MLC閃存中執行的速度不及在SLC閃存中執行的速度。最終結果是，基于MLC的SSD其運行速度不及基于SLC的SSD的快，但這種差異也許不足以明顯降低系統的總體性能。

控制器

微控制器和專用集成電路(ASIC)遵循摩爾定律。利用一定數額的預算能購買的計算功能每年都在急劇增加。這就意味著SSD控制器的設計人員可以不斷改進產品，價位保持固定。幾年前價格還高得離譜的控制器現在用非常合理的價格就能制造出來。

隨著控制器的功能不斷增強，SSD中所用閃存的質量可能下降。糾錯機制將從2位變成4位，再變成8位或更高。可能需要針對損耗均衡、碎片收集和寫操作管理來采用比較復雜的算法。最重要的是，質量較低的閃存可以代替質量較高的閃存，因為控制器的更高性能讓它彌補任何隨之出現的錯誤。

在這種情況下，SSD廠商將來從SLC NAND改用MLC NAND完全是很自然的事。從更長遠的角度來看，最終會改用3位和4位NAND技術，盡管這些技術如今被視為“充其量也是不確定”。

企業級固態硬盤廠商會從SLC改用MLC嗎?一些廠商已經在這么做了。比如說，STEC和Fusion-io好幾個月來一直在交付MLC版本的企業級固態硬盤。

請記住一點: 直到2007年年底，SSD行業中幾乎所有廠商都一致認為，MLC不可能用于任何SSD中，無論是在消費級領域還是在企業級領域。后來到了2008年，市場上出現了第一批基于MLC的消費級固態硬盤;而到該年年底，幾乎所有消費級SSD都使用了MLC。

與之相似的是，2009年伊始，業界普遍認為，MLC不可能用于企業級SSD環境;但進入2010年后，一些企業級SSD供應商已經在交付基于MLC閃存的SSD了。企業級SSD非常有可能走上與消費級SSD一樣的道路。

目前，許多企業級SSD廠商已經在各自現有的基于SLC的SSD產品線上添加了基于MLC的 SSD。Objective Analysis公司預計，到2010年年底，企業級SSD中很大一部分將會基于MLC。實際上，到今年年底，所交付的企業級SSD總量中可能將有一半會采用MLC NAND閃存。再過幾年，幾乎所有企業級SSD都可能基于MLC NAND閃存。

不過，也有專業人士認為，基于SLC的SSD在其高端領域可能始終會有一席之地，這是由于它本身所具有的耐用性和性能方面的優勢決定的。但他們也承認，改用MLC企業級SSD是大勢所趨，因為諸多廠商已經想出了創新的辦法，利用軟件和控制器技術來縮小MLC與SLC之間在性能和耐用性方面的差異。

行業調研公司Storage Strategies Now的高級分析師James E. Bagley最近特別指出，MLC消費級SSD現在的價格是每GB不到6美元; 到今年年底，企業級MLC SSD的批量價格會降到每GB 10美元以下，雖然這與傳統硬盤的價格仍相差很大，但這個趨勢還是很鼓舞人心。

另外，Bagley還指出今年SSD領域的另外幾個趨勢，包括基于SAS的MLC企業級SSD和新的文件管理策略，這些策略能更有效地將SSD采用到存儲陣列中，如EMC公司的FAST和Sun公司的ZFS等，還會出現更多的類似策略。

鏈接

MLC、SLC和DRAM

基于閃存的固態硬盤(SSD)采用閃存芯片作為存儲介質，其最大的優點是可以移動，而且數據保護不受電源控制，能適應于各種環境，但使用年限不高。在基于閃存的固態硬盤中，存儲單元分為兩類，即SLC(Single Layer Cell，單層單元)和MLC(Multi-Level Cell，多層單元)。SLC的缺點是成本高、容量小、速度快，而MLC的特點是容量大、成本低，但速度慢。MLC的每個單元是2bit，比SLC多了一倍。不過，由于每個MLC存儲單元中存放的資料較多，結構相對復雜，出錯的幾率也會增加，必須進行錯誤修正，而這個動作導致其性能大幅落后于結構簡單的SLC閃存。此外，SLC閃存的優點是復寫次數高達10萬次，比MLC閃存高10倍。此外，為了保證MLC的壽命，控制芯片采用校驗和智能磨損平衡技術算法，使得每個存儲單元的寫入次數可以平均分攤，以達到100萬小時故障間隔時間(MTBF)。

基于DRAM的固態硬盤采用DRAM作為存儲介質，目前應用范圍較窄。它仿效傳統硬盤的設計，可被絕大部分操作系統的文件系統工具進行卷設置和管理，并提供工業標準的PCI和FC接口，用于連接主機或者服務器。應用方式可分為SSD硬盤和SSD硬盤陣列兩種。它是一種高性能的存儲器，而且使用壽命很長，美中不足的是需要獨立電源來保護數據安全。