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    Intel SSD DC S3500企业级固态硬盘评测

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      可以概括起来,Intel SSD DC S3500企业级固态硬盘有两个很鲜明的特点:20nm MLC芯片、Intel第三代主控,此外,还有一个不算非常突出的:完整的保护功能。它们对了解SSD DC S3500的特性表现非常重要,接下来我们将对它们进行分别介绍。

      20nm MLC芯片:针对非写入密集应用  

    Intel SSD DC S3500企业级固态硬盘评测
    Intel SSD DC S3500上面使用的20nm MLC NAND颗粒,型号Intel 29F32B08MCMF2-ES(来源:ZDnet,下同)

      首先是使用20nm MLC芯片,这很好理解,和前面说过的类似:由于采用了它导致了耐久度的降低(特别低,S3500采用的是普通的MLC而不是Intel的HET MLC),P/E周期大约为3000次;20nm MLC的优点则是新的工艺带来功耗和成本下降,因此我们可以看到,同等容量DC S3500要比DC S3700便宜不少。作为对比,根据JESD218耐久度规范,800GB的S3700,耐久度为14.6PB,800GB的S3500只有450TB,300GB的SSD 710耐久度也能达到1PB。显而易见,S3500并非面向高强度写入应用。

      Intel第三代主控:解决延迟问题

      而在明白Intel的新主控带来的变化之前,我们得先复习一下SSD的存储原理。我们都知道,和HDD天生的不同,SSD的读写单位为页(Page),页的一般大小为4KiB或8KiB;HDD的读写单位为扇区(Sector),一般大小为512B或者4KiB。而在擦除NAND的时候,则使用块(Block)为单位,一个块一般包含着128或256个Pages;HDD则没有这个概念。对于Intel的25nm NAND来说,一次擦除就是2MiB(8KiB每页)。

      OK,这就是在处理上SSD和HDD的根本不同,由此衍生出一大堆不同的性能差异来。通常,为了保持上层操作系统/文件系统的一致性,SSD通过主控来隐藏了这个不同处理过程的区别,这个工作引入的就是FTL(Flash Translation Layer,闪存转换层),FTL将操作系统熟悉的LBA(Logical Block Address,逻辑块地址)转换到SSD的PBA(Physical Block Address,物理块地址)。LBA到PBA显然是一张映射表,在HDD上,它是1:1对应关系,除了缺陷管理之外不会变更,而在SSD上,由于磨损平衡的关系,同一个LBA对应的PBA并不是固定不变的,因此,这个映射表是动态变化的。显然,FTL的转换性能影响着SSD的性能,这也是我们关注SSD主控的原因之一。

      

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    按查找方式划分的数据结构。FTL就是在一个数据结构中进行查找或其它操作以维持一个LBA到PBA的映射关系

      FTL维护着动态变化的映射关系,这个映射关系通常是用一个叫B-tree的数据结构来保存,这个数据结构保存在SSD上面,但是通常会让FTL主控保存在一个Cache当中,以加快处理速度。注意B-tree的B是Balance,而不是Binary,前者是平衡多叉树,后者是二叉树。区别在于,前者不限制二个分叉,因此,B-tree树的高度通常比后者的要低,操作效率更高。

      

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    B-tree示例,可以看出,B-tree是一个有序集合,查询从树根开始一直到某一结点;通过B-tree,FTL可以以最低O(log2N)的效率进行LBA到PBA的映射查找

      B-tree的如B+-tree、B*-tree、FD-tree等等的改进型广泛应用于存储相关的部件当中,如在文件系统中的应用就非常多。类B-tree的一个重要的问题就是其查找性能良好,然而其分裂、插入结点的操作相对缓慢。在FTL进行读取操作时需要的就是对B-tree进行查找,而写入则需要进行分裂、插入;对SSD连续的写入可以让一个结点包含一大块地址来解决,而随机写入则只能让B-tree变大,这会带来很明显的延迟,因此SSD的随机写入性能通常都比读取要慢。

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    第一代Intel SSD主控:PC29AS21AA0,来自Intel SSD X25-E,Cache为16MiB DRAM

      

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    第二代Intel SSD主控:PC29AS21BA0,来自Intel SSD 710,Cache容量为64MiB DRAM

      这个B-tree——映射表通常保存在Cache当中(再一次:这点跟CPU当中的TLB很像),在Intel的第一第二代上,搭配了一个容量相对较小的Cache,分别为16MiB和64MiB,Intel引以为豪的是这个Cache完全不保存用户数据,仅保存映射表,因此掉电保护只需要很小的电容就能达到。和其它SSD相对较小的Cache是Intel SSD的一个特点,不过这带来了一个问题:映射表不能完全载入Cache当中,并且,映射表也需要不停地对进行压缩、重平衡,这带来了进一步的延迟。  

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    4KiB随机读取延迟对比:低队列深度下,SSD 710的延迟较低,然而随着队列深度增加,其延迟增长比SSD 520明显要快;SF2281主控内置SRAM,容量不明  

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    4KiB随机写入延迟对比:在1队列深度下,SSD 710的延迟是SSD 520的1.55倍,在256下飙升到10.7倍;测试基于非对齐的重复数据,因此SF2281可以启动其硬件压缩引擎

      按照映射表在DRAM Cache中缓冲多寡来分的话,SSD可以分为DRAM完全缓冲、DRAM部分缓冲、DRAM完全不缓冲型,还有一种主机内存完全缓冲型(映射表保存在系统内存中,由驱动维护)。显然,Intel PC29AS21AA0和Intel PC29AS21BA0属于DRAM部分缓冲型,而SandForce SF2281则属于DRAM完全不缓冲型——不过SF2281内置SRAM进行了部分缓冲,两种方案可以看做有些相似。在上面的对比中我们可以看到,Intel的第二代主控延迟表现不甚理想,特别是4KiB随机写入,比SF2281要慢很多。需要说明的是,背后的因素有些复杂,在我们的例子当中,使用的测试数据是重复数据,因此在SF2281硬件压缩引擎的作用下,可以有充分的带宽去读取Flash芯片上的映射表。

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    第三代Intel SSD主控:PC29AS21CA0,来自Intel SSD DC S3500,Cache容量为1GiB DRAM

      到了第三代主控,Intel使用了完全不同的做法:它取消了B-tree使用了一种平面1:1映射表,并完全装载入新的1GiB大容量DRAM当中,因此不再需要动态维护B-tree。因此PC29AS21CA0的随机操作延迟特别是写入延迟理论上会有很明显的降低,此外,延迟的时间不均衡性也会得到降低,Intel宣称SSD DC S3500可以提供75K/11K的4K随机读写延迟,并且提供了一致性的IO延迟——也就是说,提供一致性的IOPS,不会因为长时间的使用或者边界条件而导致很差的性能。

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    Intel SSD DC S3500的随机读写一致性,Intel保证提供在99.9%的情况下可以达到90%的读IOPS和75%的写入IOPS

      完整的数据保护:面向数据中心

      使用新的映射表架构的代价是需要针对1GiB容量的DRAM进行掉电保护,Intel的做法和此前没有什么不同,都是采用了大电容来进行保护,不过具体实现不太一样:

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    Intel SSD 710上的6个KEMET基美的T520系聚合钽贴片电容,规格为6V 470uF

    Intel SSD DC S3500企业级固态硬盘评测
    Intel SSD DC S3500上具有两个35V 47uF的NCC(日本化工)Chemi-con KZH系列黑金刚铝电解电容

      可见,不知为何,相比SSD 710,SSD DC S3500的储电能力有所下降,这样的变化一定有其原因。

      除了掉电保护之外,SSD DC S3500还具有完整的端到端数据保护,包括SRAM Cache、DRAM Cache、Flash NAND等全部都具有ECC保护,并且S3500提供AES-256数据加密保护,而Intel SSD 710和Intel SSD 520都只支持AES-128。

      概括

    Intel SSD DC S3500企业级固态硬盘评测
    还有一些值得一提的要点是:新的控制器支持SATA 6Gb/s,提供7mm 2.5"和5mm 1.8"两种外形因子,可靠性为200万MTBF小时

    标签:固态硬盘
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