基于SSD的計算機性能優化和實驗室節約策略

盧 民 榮

(福建江夏學院 會計學院， 福建 福州 350108)

0 引 言

根據馮·諾依曼型架構，目前計算機架構設計大部分基于存儲器，計算機主要由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大件組成，運算器、控制器功能由CPU完成，數據和程序指令存儲在存儲器中，等待運行的時候調用，運行結果也放到存儲器中[1]。早期計算機的CPU與主存的工作速度較為接近，主存的速度并不影響整機的運算速度，近幾年電子科學迅速發展，影響計算機運行效率關鍵硬件CPU性能在1986～2004年間的年增長率約為52%，自2004年開始每年CPU性能增長率約為20%[2]，可以說CPU速度已經很快了，因此現在的CPU已經不會成為計算機運行速度的瓶頸，性能瓶頸主要在于存儲器。存儲器的硬件分為主存(也稱“內存”)和輔助存儲器(也稱“硬盤”、“外存”)，主存的訪問延遲改善情況每年約7%[2]；HDD訪問延遲更為致命，從2000年開始硬盤轉速就已經達到7 200 r/m，相隔十幾年，現在HDD的容量倒是提升了很多，1 TB、2 TB均已投入市場，然而速度卻沒有多少改變，主流轉速仍然是7 200 r/m，讀寫速度基本處于100～150 MB/s之間，主要是因為市場上硬盤大部分是機械硬盤(也稱“傳統磁盤”)，機械磁盤受限于磁頭移動和磁盤旋轉等機械運動，響應時間和吞吐率已經遠遠落后于CPU和主存[3-4]。這就導致CPU與存儲器之間的性能差異逐漸加大，形成了“存儲墻”問題，可以這么說現在計算機性能瓶頸在于存儲器的速度，尤其是HDD的速度[5,6]。

從2009年許多硬盤制造商開始投入SSD(也稱“電子硬盤”)的研究與生產，與HDD相比，SSD有著明顯優勢，如響應時間極短、功耗小、讀寫速度很快(目前市場上SSD讀寫速度基本都達到了500 MB/s以上，比HDD快3～5倍以上)等；剛開始SSD因為價格高和數據丟失很難還原等沒有得到普及，隨著技術提升，現在SSD技術已經比較成熟，并廣泛應用于軍事、航空、醫療、導航、工控、電力、監控等行業[7-8]。

目前，高校實驗室計算機仍然普遍以Microsoft Windows XP Professional 32位操作系統(簡稱“XP”)為主，2014年4月8日微軟宣布XP停止服務，并提示繼續使用將有風險，計算機用戶升級操作系統是必然趨勢，但計算機配置卻成了一大阻因。而這幾年高校對實驗室的投入已經形成一定的規模[9]，實驗室計算機數量之多，升級或購買新的計算機都需要慎重考慮。本文結合高校計算機實驗室實際情況，主要研究使用較低成本快速提升實驗室計算機性能、升級操作系統，同時延長計算機服務年限，降低實驗室計算機報廢率，具有實際的應用和推廣價值。

1 SSD與HDD對比分析

SSD存儲是以閃存作為存儲單元，不僅可以隨機訪問而且通常以頁為單位進行讀寫，其響應時間極短，響應速度是HDD的3～5倍，而更為可觀是的SSD的讀寫延時比HDD快幾十倍[10]。本文通過專業硬盤檢測工具HD Tune 5.0在同一軟件環境中對硬盤性能進行檢測，從多個角度對比分析SSD和HDD，數據采樣來源為福建江夏學院會計學院實驗室計算機設備中80 GB和320 GB硬盤，120 GB為新型試驗SSD，硬盤各參數比較如表1所示，下文使用簡稱SSD 120 GB、HDD 80 GB、HDD 320 GB分析代表各自型號的硬盤。

表1 SSD和HDD的硬盤參數

從表1可以看出，SSD緩存和讀取速度要高出HDD很多倍，而2007年和2010年采購的HDD在容量增加四倍但性能并未有多少改進；因此實驗環境的計算機配置雖然2010年的CPU和內存上性能比2007年提升好幾倍，但計算機性能受到HDD限制并未發揮出相應的提升效果。在測試計算機上安裝Windows 7 64位操作系統，并加載這三個硬盤，測試數據如表2～4所示；從測試結果中得出在傳輸速度上HDD 320 GB同比80 GB提升將近1倍，但在響應時間、讀寫延時沒有多大改觀；但SSD在測試數據上都比HDD 80G提升五倍以上，隨機存取測試中甚至可超過100倍，由此可知文獻[10]中指出SSD隨機尋址延時比HDD快500倍以上，完全符合實際，而且在日后固態硬盤生產技術日趨成熟，速度將更進一步提升，其應用也會更加廣泛。

表2 硬盤傳輸速度測試結果 MB/s

此表數據越大表示性能越好，反之越差；傳輸速率在數值上等于每秒傳輸構成數據代碼的比特數，傳輸速率越高其傳輸速度就越快。

此表數據越小性能越好，反之越差；存取時間越短計算機響應時間就越少，其響應速度就越快，SSD響應時間明顯少于HDD許多倍。

表3 硬盤讀寫時間測試結果 ms

表4 硬盤IO操作測試結果 IOPs

此表數據越大表示性能越好，反之越差；IO/s是指每秒進行讀寫操作的次數，IO/s值越大其讀寫延時就越小，SSD讀寫操作優勢十分明顯。

2 計算機性能測驗方法和結果分析

2.1 實驗環境

福建江夏學院會計學院實驗室分為會計電算化、模擬銀行、財務管理、稅收籌劃和審計實驗室，只有審計一間實驗室計算機配置較高為2010年采購的聯想ThinkCentre M8200t，其它實驗室計算機配置均為2007年采購的方正尊越A360，因此多數實驗教學仍然使用方正尊越A360計算機。本文使用這兩種配置的計算機組建實驗環境，具體組建方法如下：

(1) 實驗主機一。方正尊越A360的硬件配置為Intel Pentium Dual E2140 1.6GB雙核CPU，DDR2 667 MHz 1 GHz內存，HDD 80GB硬盤和128MB顯示卡；共計50臺。

(2) 實驗主機二。聯想ThinkCentre M8200t的硬件配置為Intel Core i3 540 Dual E2140 3.07GB雙核四線程CPU，DDR3 1333 MHz 4 GHz內存，HDD 320 GB，集顯；共計50臺。其CPU和內存性能優越于實驗主機一很多倍。

(3) 實驗主機三。在實驗主機一上搭載SSD，將HDD 80G作為數據盤，SSD 120 GB作為系統盤，共計6臺。

按照會計軟件的特點分兩組軟件環境進行測試，第一組在這三類主機安裝相同的會計教學軟件，考慮到會計實驗教學中使用財務會計軟件有用友通標準版和用友ERP-U8院校專版，這兩個軟件在配置上剛好存在沖突，為了方便教學實驗室將其分別安裝在不同操作系統上，HDD 80G硬盤規劃為C盤、D盤各30 GB用于安裝操作系統和相應的教學軟件，其余空間做為數據盤，以供學生上機使用。安裝操作系統均為XP Service Pack 3并各自命名為XP1、XP2，XP1安裝用友通標準版10.2，XP2安裝用友ERP-U8院校專版8.61(以下簡稱“861”)，其它為公共的軟件主要包含：教學控制軟件(凌波多媒體教學網6.9.2)，辦公軟件(Office 2003：Word、Excel、PowerPoint和0ffice 2007：Word、Excel、PowerPoint、Access、Visio)，數據庫軟件(Sql Server 2000 Service Pack 4)，開發工具(Delphi 7.0)，殺毒軟件(金山毒霸悟空永久免費版SP5，病毒庫更新至2014-3-21)等；其系統盤空間占用約13G，空閑空間約為16 GB。

第二組軟件環境將861替換為用友ERP-U8院校專版8.72(以下簡稱“872”)和0ffice 2010(Word、Excel、PowerPoint、Access、Visio)，以適應新版本的教學軟件。會計教學軟件從861升級到872是必然趨勢，這也是多一組測試的必要性，但受到計算機現有配置的約束，大部分教學仍然使用861。

2.2 執行程序所需時間測驗

在同一軟件環境下對三種不同主機硬件進行軟件常規操作對比，為了更準確地記錄執行程序所需時間即響應時間，實驗過程中在記錄其響應時間上使用平均時間取值，其中除同傳操作實驗主機一和二均為50臺計算機操作的平均時間，實驗主機三取6臺計算機操作的平均時間。開機包括了還原卡加載時間和連帶系統默認啟動服務的有數據庫管理軟件Sql Server 2000、教學控制軟件凌波多媒體教學網學生端和殺毒軟件等。為了更清楚對比實驗結果，在響應時間對比表中以實驗主機一的數據為基準，分別在實驗主機二、三上增加時間倍數用于更明顯地比較計算機性能。第一組實驗通過安裝所需要軟件環境進行同傳，并記錄其消耗時長；同傳成功后計算開關機、打開Delphi 7.0界面、使用金山毒霸進行C盤全面掃描殺毒等所需要時間，并分別計算在XP1和XP2上操作相應的會計教學軟件響應時間，如表5所示。第二組實驗主要計算861升級片872軟件響應時間，如表6所示。

殺毒軟件查殺后提示掃描殺毒對象有190 507個，HDD 80G掃描速率168個文件/s，HDD 320 GB掃描速率261個文件/s，SSD 120 GB掃描速率305個文件/s。

2.3 實驗結果分析

表格中聯想ThinkCentre M8200t和方正尊越A360+SSD 120G括號中表示的倍數均以方正尊越A360作對比，軟件響應時間越短表示其速度越快，使用Ta表示方正尊越A360軟件響應時間，使用Tm表示聯想ThinkCentre M8200t軟件響應時間，其計算機速度倍數times計算公式為：

表5 軟件響應時間對比 s

表6 軟件升級到872響應時間對比 s

實驗結果表明網絡同傳與硬盤參數關系較小，主要由網絡設備的交換機決定其傳輸速度；而其它常規軟件操作中聯想ThinkCentre M8200t速度比方正尊越A360快1～2倍，而方正尊越A360搭載SSD后性能明顯提升1倍，部分處理速度比原來快3～5倍；在方正尊越A360基礎上搭載SSD，其計算機響應時間競小于更新配置的聯想ThinkCentre M8200t計算機，使用了7年的計算機已經進入淘汰期，在上面搭載SSD，計算機性能可以得到明顯改善即實驗主機三計算機速度比實驗主機二快，因此搭載SSD方案優化計算機實驗室具有技術可行性。同時通過實驗發現861升級到872軟件響應時間延遲較長，原有方正尊越A360計算機配置運行872所需時間過長，影響了正常的日常實驗教學，故不推薦安裝使用。

以教學環境為主進行測試，從軟件環境上看，32位的XP操作系統沒有完全發揮聯想ThinkCentre M8200t的性能，實驗主機二的軟件響應時間在同等條件下會降低；SSD 120 GB屬于SATA3接口且具有trim技術，在實驗主機一上搭載SSD，一方面主板的接口技術限制了其性能，另一方面操作系統本身也沒有發揮出trim功能，在未來主流SATA3接口的主板使用SSD并安裝64位Microsoft Windows 7 (簡稱“Win 7”)及更高版本的操作系統，SSD性能仍會進一步得到提升。

3 相關工作

3.1 提升實驗室計算機性能方案

隨著計算機技術的發展，外部存儲器HDD和CPU處理速度之間的差距越來越大，提高計算機系統性能的瓶頸就落在外部存儲設備上[11]。因為在資源上SSD不會浪費高速運轉的CPU、內存，在提升計算機的性能上SSD與HDD相比具有明顯優勢，目前許多廠商提供較高性能的筆記本電腦都搭載了SSD。從CPU上主頻和多線程處理能力實驗主機二要比實驗主機一快5倍以上，從內存上看頻率和容量也要高出好幾倍，但在實驗運行效果上，卻只能快1～2倍，其間主要性能瓶頸在于硬盤。從實驗主機一搭載SSD后性能與實驗主機二基本相當，甚至從軟件操作響應時間上看運行效率更高?，F在計算機在主板總線設計的速度一般比較快，不會拖后其它硬件的速度，因此影響計算機性能最為直接的硬件有CPU、內存、硬盤3個，而一般實驗室計算機在投入使用2、3年后，其CPU和內存基本已經停產，CPU和內存更新換代比較快，實驗室計算機在投入使用六七年后其主板相兼容的CPU和內存已經很難購買或者需要比較高的維修成本。計算機升級比較普遍的做法是計算機使用2、3年內更換速度更快的CPU或容量更大的內存，此時升級花費成本不會很高；目前SSD在市場上已經比較流行，如實驗室計算機已經使用了比較長的時間，想花費比較低成本提升計算機性能，增加一個小容量SSD做為系統盤，原來HDD作為數據盤，這可以比較有效的提升操作系統和軟件運行的速度，升級后軟硬件安裝如圖1所示。SSD速度快但成本高，在使用SSD進行升級時，應規劃好軟件和數據放置，充分利用SSD讀寫速度的優勢，將操作系統、數據庫系統、殺毒軟件等需要較多讀寫操作都放在SSD上，實驗室計算機主要是為提供教學服務，為了縮短軟件響應時間，需要將常用的文字處理軟件和教學相關的軟件都安裝在SSD上；將不常用、占據較大空間的軟件和數據放在HDD上，如GHOST還原文件、用戶數據等。一般軟件都設數據區，軟件在運行過程中存儲應盡可能放置到HDD上，以減少SSD的空間壓力，因為隨著SSD容量降低，“填滿”引起的遷移顯著增加，SSD性能也會相應下降[12]。

同時也要注意并不是所有早期計算機加載SSD都能有效提升計算機性能，因為早期主板默認硬盤模式是IDE，這種模式是不支持原生命令隊列(Native Command Queuing，NCQ)，隊列深度增大性能也不會有太大的變化。在使用SSD提升計算機性能時，應開啟主板BIOS中串行ATA高級主控接口/高級主機控制器接口(Serial ATA Advanced Host Controller Interface，AHCI)，因為SSD支持NCQ，該技術對挖掘利用SSD內部并行特性至關重要，當隊列深度增大，性能也會以幾何級別上升[13]。因此，適合升級SSD的實驗室計算機配置在主板上應支持AHCI和SATA接口，同時CPU應具有雙核心，內存在1 GB及以上。

在實驗室日常維護過程中發現已經使用7年的方正尊越A360計算機部分配件損壞如電源無法供電、顯卡花屏、內存損壞等，這些損壞的配件要么很難購買要么維修成本較高，因此損壞的配件按正常報廢處理，將可用配件搭配組裝后繼續使用?，F在采用SSD升級實驗室計算機，至少可以延長計算機的使用3～5年，為了保證SSD升級實驗室計算機能更長時間的正常運行，建議高校提升實驗室計算機性能操作方法如下：

(1) 停止使用一間實驗室(無須報廢)做為配件室，在后續計算機使用過程中如遇硬件損壞則使用該配件室進行維護。

(2) 購買SSD，升級已經投入5～8年的實驗室計算機(投入使用時間太短未達到報廢年限，仍然能繼續服務多年；投入使用時間太長，計算機主板配置可能不支持AHCI和SATA接口，影響SSD性能發揮)；目前SSD都提供SATA3接口，但多年前購買的主板一般是不支持的，此時并未完全發揮出SSD的性能。

(3) 新建實驗室，至少新建一間實驗室用于替代配件室教學功能，新建實驗室主板應提供SATA3接口，方便日后循環利用，同時也要根據教學需求和招生規模，新建其它類型的實驗室。

(4) 升級SSD后計算機繼續使用直至報廢，當報廢時計算機中SSD設備完全格式化后可以循環利用SSD，作為后期新建實驗室的系統盤，在主板支持SATA3接口上SSD性能更佳。

3.2 高校計算機實驗室節約策略

高校實驗室硬件投入建設經費和配套維護經費，都十分巨大，因此高校實驗員應適當研究高校實驗室成本管理，并進一步形成控制強化成本管理的理念[14]。據調查，高校實驗室計算機的使用年限5年報廢的占36.4%，6年報廢的占18.2%，7年報廢的占45.5%[15]，由此可見，我國高校計算機實驗室的計算機服務年限比較短，高報廢率一方面反應了計算機軟硬件的更新換代很快，使用5年以上的計算機從客觀上確實存在計算機硬件較難適應新的軟件需求，即使沒有報廢其使用率也大大降低；另一方面從實驗室成本考慮則造成了很大的資源浪費。福建江夏學院2007年9月采購的方正尊越A360計算機投入使用7年，基本達到報廢年限，在教學上確實也存在了不能適應的局面，對資源消耗比較高的軟件就很難以順利運行，在一定程度上已經不能滿足教學需要。以其中會計學院為例進行使用成本分析，2007年購買成本在4 300元左右，共建設了會計電算化兩間(每間設計為65臺)，模擬銀行、財務管理、稅收籌劃各一間，總共計算機數量325臺，采購成本為1 397 500元，以7年為使用年限，平均每年消費金額為199 643元；7年后需要繼續采購新計算機，如實驗室數量不變的情況下購買成本和平均每年消費金額基本同上。通常廠商標注SSD 120 GB壽命多達10萬次以上，按此推理，在實驗室中SSD服務年限可達10年以上，成本計算以10年為使用年限。依照本文高校提升實驗室計算機性能操作方法將其中一間實驗室(65臺計算機)作為配件室，其它實驗室購買260個SSD 120 GB進行升級，為了防止SSD使用過程中發生故障，在升級過程中多購買10個SSD作為替換件，并計入成本核算；按照實驗室數量不變的情況下，新建一間65臺計算機實驗室用于替代配件室，配備較高性能主板并支持SATA3接口，每臺計算機的成本約為4 500元。表7對比正常報廢與升級SSD所帶來的成本差距。

從表中數據可以看出，升級SSD后到2019年，實驗室加上維護費用總投入成本約為176萬，且SSD 120 GB仍然還能繼續服務5年，尚存可利用價值有6萬以上；購買新計算機替代配件室的新建實驗室仍然能繼續使用2年，并可循環利用SSD延長使用5年，其尚存可利用價值有14萬以上。而如果7年報廢則投入成本高達286萬元，僅能多使用兩年，尚存可利用價值有40萬元，7年正常報廢費用的做法要高出近100萬元。此數據采樣僅來源于一所高校中一個學院的實驗室(計算機數量325臺)，在經濟上已經很可觀，如面對全國各大高校及擁有較多計算機企業，顯然本文提出的高校計算機實驗室節約策略具有一定的經濟可行性。

4 結 語

本文以操作系統XP停止服務為契機，結合SSD優勢，從而提出了改進實驗室計算機性能具備技術可行性，高校計算機實驗室基于SSD升級方案一方面可以提升計算機性能，延長計算機服務年限，另一方面在降低實驗室報廢率的同時也可以減少計算機資源浪費，為高校實驗室實現低碳化管理做準備。通過正常報廢與升級SSD的成本比較，高校計算機實驗室節約策略具有一定的經濟推廣價值，推廣范圍不限于高校實驗室計算機，對于政府、企業、個人計算機同樣適用。目前SSD因為成本較高還未得到普及，其兼容性和服務年限還需要繼續進一步的觀察；本著SSD高速緩存能極大地改善計算機的響應時間以及市場日益廉價的趨勢，SSD在高校計算機實驗室中將會得到普及。

表7 正常報廢與升級SSD的成本比較

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