解讀固態(tài)硬盤的“4K性能”

  在談到固態(tài)硬盤性能的時(shí)候,大家都會(huì)想到非常重要的“4K性能”,即4K隨機(jī)讀寫IOPS。作為系統(tǒng)盤使用時(shí),固態(tài)硬盤執(zhí)行的讀寫操作中,4K隨機(jī)讀寫占據(jù)了相當(dāng)大的份額。

  “4K性能”受哪些因素影響呢?閃存沒有機(jī)械活動(dòng)部件,隨機(jī)讀寫的效能比機(jī)械硬盤高出許多,但依然會(huì)受一些因素的制約,譬如閃存讀寫延遲、LUT(Look up table)效率。閃存的讀寫延遲基本是固定的,而LUT效率就成了影響固態(tài)硬盤“4K性能”的主要因素。

  LUT填補(bǔ)了閃存與針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械硬盤設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)之間鴻溝,解決閃存不能覆蓋寫入、擦寫次數(shù)存在限制等問題。LUT可以被當(dāng)成是一張邏輯地址(文件系統(tǒng))與物理地址(閃存單元)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的查找表。

  根據(jù)LUT表的存儲(chǔ)位置,固態(tài)硬盤可以分為有外置緩存和無外置緩存(DRAM-less)兩種類型,后者因?yàn)槭∪チ斯虘B(tài)硬盤當(dāng)中的DRAM芯片,在性價(jià)比上擁有更好的表現(xiàn)。但省去DRAM緩存理論上會(huì)對(duì)“4K性能”產(chǎn)生一些不利影響。下圖是東芝TR200固態(tài)硬盤,采用當(dāng)前主流的DRAM-less無外置緩存方案。

  DRAM-less方案也有LUT表,存儲(chǔ)在主控內(nèi)集成的高速、小容量SRAM緩存當(dāng)中。兩種方案的工作模式類似于字典中拼音和部首兩種檢字法。

  拼音檢字表:有DRAM緩存,大腦中對(duì)字的讀音已經(jīng)了解,可以快速查到這個(gè)字的釋義所在頁碼。

  部首檢字表:無DRAM緩存,需要先找到部首,然后根據(jù)比劃數(shù)量最終找到頁碼,等于查了兩次表,完整的Look up table需從NAND閃存上讀出。

  當(dāng)然事無絕對(duì),東芝TR200主控內(nèi)置了高達(dá)32MB容量的高速SRAM緩存,按照1MB:1GB的標(biāo)準(zhǔn)LUT容量,能夠覆蓋32GB容量的閃存空間,相當(dāng)于常用數(shù)據(jù)無需二次查表,LUT效率提升的結(jié)果就是“4K性能”的大幅改善。由于SRAM比外置DRAM緩存速度更快,東芝TR200的4K單線程讀取速度達(dá)到了52MB/s以上。

  PCMark 7和PCMark 8存儲(chǔ)測(cè)試成績也表明TR200具備不俗的性能,說明只要主控硬件和固件設(shè)計(jì)得當(dāng),無外置緩存(DRAM-less)并不會(huì)給固態(tài)硬盤實(shí)用性能造成影響。

  在RC100和BG3/4固態(tài)硬盤中,東芝還充分利用了NVMe協(xié)議中的Host Memory Buffer主機(jī)內(nèi)存緩沖特性,通過借用主機(jī)內(nèi)存中的一小段專用空間存儲(chǔ)LUT表,實(shí)現(xiàn)了更高性價(jià)比的設(shè)計(jì)目標(biāo)。