PDF服务器应用的闪存盘机遇
与传统磁盘相比，未来的闪存盘可以在 IOPS、功耗、可靠性和容量方面取得突破。
吉姆·格雷和鲍勃·菲茨杰拉德
自 1996 年以来，NAND 闪存密度每年翻一番。三星宣布其 32 千兆位 NAND 闪存芯片将于 2007 年上市。这与黄昌圭的闪存增长模型 1 相符，即 NAND 闪存密度在 2010 年之前每年翻一番。黄最近将 2003 年的预测延长至 2012 年，暗示密度是目前的 64 倍——每芯片 250 GB。这令人难以置信，但自他 2003 年发表文章（当时 2 GB 芯片才刚刚出现）以来，黄和三星已经实现了 16 倍的增长。因此，我们应该为闪存驱动器达到太字节（！）的那一天做好准备。正如黄在他的文章中指出的那样，推动这项技术的不是 PC 生态系统，而是移动和消费应用。
这些芯片中的几个可以封装成磁盘替代品。三星有一款 32GB 闪存盘（NSSD-NAND 固态盘），目前采用 PATA（并行高级技术附件），很快将采用 SATA（串行 ATA）。它采用标准的 1.8 英寸和 2.5 英寸磁盘外形尺寸，可以作为标准的小尺寸磁盘插入 PC。其他几家供应商也提供类似的产品。铼德宣布推出 16GB 闪存盘，售价 170 美元，稍后将推出 32GB 磁盘，而 SanDisk（收购了长期为军方生产闪存盘的 msystems）推出了一款 32GB 磁盘，售价约为 1,000 美元。
这些“磁盘”价格昂贵（网络标价为 1,800 美元，2 170 美元的型号尚未上市）；但是，它们的功耗大约低 15 倍（0.9 瓦 vs. 14 瓦），并且（可能）每秒提供的访问次数大约是高性能 SCSI 磁盘的 10 倍（2,500 vs. 200 IOPS）。它们的抗冲击性也很高（>1 公斤）。通过良好的工程设计，它们规避了闪存的两个缺点：（1）闪存的特定字节只能写入 100 万次；（2）不能向页面写入零，因此必须先擦除（重置）页面为全一，然后再写入——这使得写入速度变慢。图 1 中显示的系统图暗示了三星实现这一目标的一些方法。
Tom’s Hardware 对三星产品进行了出色的评测。3 微软研究院的两篇文章测量了几款 USB 闪存驱动器，4,5 但我想用我们的工具（SqlIo.exe 和 DiskSpd.exe）进行一些测试。Aaron Dietrich 让我访问了一台运行 32 位模式 Windows Vista RC2 Build 5744 的双核 3.2 GHz Intel x86 机器，该机器配备 1 GB 内存和一个 beta NAND 闪存 32 GB 磁盘，Dennis Fetterly 让我访问了一个 4 GB msystems UFD Ultra USB 设备。
测试
我使用 SqlIO.exe 和公共领域的 DiskSpd.exe 测试了读写操作的顺序和随机性能。两者都给出了相当的结果，所以我在这里报告 DiskSpd.exe 的数字，因为你可以看到代码，也许可以更改它。
顺序测试运行一分钟，在各种块大小（从 512 字节到 1 MB）上使用读取或写入操作，以及 1、2 或 4 个未完成的 I/O——也就是说，DiskSpd 发出 N (= 1、2、4) 个 I/O。当一个完成时，我们再发出一个，直到完成。在顺序测试中，每个后续的 I/O 都转到由 genfile -r128 -s- -b4096 80M test.dat 生成的 1 GB 文件中的下一个块。
随机 I/O 测试遵循相同的模式，只是它们将每个 I/O 发送到文件中随机选择的块对齐位置。msystems 的性能不如其他产品，所以我报告表 1 中更好的数字。
禁用写缓存的测量——随机写入存在问题
图 2 中的图表说明了问题。设备的顺序读写性能非常好。在深度为 4 的 512 KB 请求下，设备每秒处理 6,528 个读取请求（！）或每秒 1,644 个写入请求。读取性能明显优于写入性能。顺序吞吐量在超过 128 KB 请求后趋于平稳，读取为 53 MBps，写入为 35 MBps。
随机 I/O 的情况更加复杂——而且令人失望。对于典型的深度为 4 的 8 KB 随机请求，读取性能非常出色，达到每秒 2,800 个请求，但写入性能却令人失望，只有每秒 27 个请求。显然，随机写入性能存在问题。正如下一节所示，Windows 正在执行同步写入，并且设备写入延迟相当长（30 毫秒）。
启用高级性能
默认情况下，在 Windows Vista 中，磁盘必须将数据写入非易失性存储器，然后才能确认写入完成。某些系统具有电池后备磁盘缓存，因此可以更快地响应，而一些愚蠢的人只是启用了此缓存——例如，它在我的笔记本电脑上已启用五年，至今没有不良影响（到目前为止）。
要承担此风险，请转到“开始”→→“计算机”→→“管理”→→“设备管理器”→→“磁盘驱动器”，然后右键单击要冒险的磁盘。从菜单中选择“属性”，然后选择“策略”选项卡，并在阅读警告标签后，选择“启用高级性能”。此页面有点令人困惑：它说您无法修改 WCE（写入缓存启用）性能，但随后它为您提供了两个执行此操作的单选按钮。
当我选择“高级写入性能”时，我期望看到出色的性能——但事实并非如此。我始终无法获得良好的写入性能。这可能是设备驱动程序或设备的问题。《高性能闪存盘设计》6 一文解释了这个问题并提供了解决方案。显然，磁盘控制器中的一点智能可以缓冲写入，并提供与顺序写入获得的每秒 1,100 个 I/O 相当的性能——但这并不是我在当前的软硬件配置中看到的。
如果闪存盘提供数千 IOPS 并且“容量很大”呢？
我的测试和其他几个人的测试表明，闪存盘每秒可以提供约 3,000 次随机 8 KB 读取，经过一些重新设计，每秒可以提供约 1,100 次随机 8 KB 写入。事实上，看起来单个闪存芯片可以提供接近这样的性能，而且“盒子”内部有很多芯片——因此实际限制可能是四倍或更多。然而，即使是当前的性能，对于许多企业应用来说也非常有吸引力。例如，TPC-C 基准测试的读取和写入大致相等。使用图 2 中的图表，深度为 4 的 8 KB 随机读取速率（2,804 IOPS）和深度为 4 的 8 KB 顺序写入速率（1,233 IOPS）的加权平均值，得出调和平均值为 1,713 IOPS（深度为 1 时为 1,624 IOPS）。TPC-C 系统配置为每个 CPU 约 50 个磁盘。例如，最新的 Dell TPC-C 系统有 90 个 15,000 RPM 36 GB SCSI 磁盘，成本为 45,000 美元（维护费用额外 10,000 美元，可以“打折”）。这些磁盘占系统成本的 68%。它们提供约 18,000 IOPS。这与 10 个闪存盘的每秒请求数相当。因此，如果数据可以容纳在 320 GB 上（事实并非如此），我们可以用 10 个 NSSD 替换这 90 个磁盘。这将节省大量资金和电力（1.3Kw 的电力和 1.3Kw 的冷却）。
目前的闪存盘采用 16 GB NAND 闪存构建。当在 2012 年，它们采用 1 太比特部件构建时，该设备将具有 2 TB 的容量，并且确实能够存储 TPC-C 数据库。我们可以用几个（例如，10 个）400 美元的闪存盘（可能）替换 44,000 美元的磁盘阵列。
三星 NSSD 的系统图表明有很多创新机会：用于容错的有趣 RAID 选项（将《高性能闪存盘设计》7 中的想法与非易失性存储映射和块缓冲区相结合，并在芯片阵列上写入 RAID-5 数据条带），添加电池，添加用于写入时复制快照的逻辑等等。这些设备为文件系统带来了全新的方法。它们是磁盘和 RAM 之间潜在的差距填补者，并且它们本身就是有趣的“热数据”存储设备。
总结
在这个新世界中，磁盘提供高容量、廉价的存储和带宽——冷存储和存档。闪存盘为热数据和温数据提供非易失性存储。闪存也可以在磁盘驱动器内部用于缓冲写入和提供安全的写入缓存。在这个新世界中，磁盘看起来更像磁带，而闪存盘则填补了传统上由磁盘填充的直接访问块存储角色。闪存是更好的磁盘（更高的 IOPS，延迟降低 10 倍），而磁盘是更好的磁带（无需倒带，挂载时间以毫秒为单位）。闪存每千兆字节的成本远低于五年前的磁盘价格，而当考虑总系统成本（读取器、软件和操作）时，磁盘每千兆字节的成本远优于磁带。因此，这些变化非常受欢迎。
参考文献
- 黄，C. 2003 年。《纳米技术实现了一种新的内存增长模型》。*IEEE 会议论文集* 91(11): 1765-1771；http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel5/5/27802/01240069.pdf。
- 这个网站 (http://www.dvnation.com/nand-flash-ssd.html) 有一款 PQI 闪存盘，售价 1,800 美元。目前闪存的边际成本约为每千兆字节 20 美元，因此这款设备的价格可能约为 600 美元，与 15,000 RPM SCSI 磁盘的价格相当。
- Zushman, J. 2006 年。《硬盘走向闪存：三星闪存 SSD》。Tom’s Hardware；http://www.tomshardware.com/reviews/conventional-hard-drive-obsoletism,1324.html。
- Nath, S., Kansal, A. 闪存数据库：用于 NAND 闪存的动态自调优数据库。微软研究院技术报告 MSR-TR-2006-168；ftp://ftp.research.microsoft.com/pub/tr/TR-2006-168.pdf。
- Birrell, A., Isard, M., Thacker, C., Wobber, T. 2005 年。《高性能闪存盘设计》。微软研究院技术报告 MSR-TR-2005-176；ftp://ftp.research.microsoft.com/pub/tr/TR-2005-176.pdf。
- 参见参考文献 5。
- 参见参考文献 5。
致谢
本文的准备工作得到了 Aaron Dietrich、Dennis Fetterly、James Hamilton 和 Chuck Thacker 的帮助。
最初发表于 Queue 第 6 卷，第 4 期——
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