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几乎所有的IT分析机构都将基于闪存的固态硬盘(SSD)列为2010年的几大技术趋势之一,本报今年第一期的“2010十大技术展望”中,闪存技术也被列入其中。但目前仍有一些因素阻碍SSD的广泛采用,其中一个重要原因就是其高昂的价格。不过,也许这种情况很快就会发生变化。
在基于闪存的固态硬盘
(SSD)领域,眼下一场
颇为激烈的争论正在进行,其焦点就是企业级SSD能不能使用多层存储单元(MLC)技术,而不是单层存储单元(SLC)技术—目前,SLC技术在企业级SSD中正占据着主导地位。Objective Analysis市场研究和咨询公司认为,企业级SSD不但会使用MLC技术,而且在不远的将来,几乎所有的企业级SSD最终都会采用MLC闪存。
持以上观点的人所考虑的因素主要包括:
● MLC闪存的价格可能大大低于SLC闪存;
● 许多企业级SSD不需要SLC闪存所提供的那么高的耐用性;
● 尽管MLC的速度不及SLC,但SSD的控制器可以弥补或缓解速度差异;
● SSD控制器正在迅速得到改进。
价格
2008年年底,SLC NAND的价格达到MLC的4.5倍(见图中的虚线)。由于固态硬盘生产商们预计SLC的价格会保持两倍于MLC闪存的价格,因此,他们对这种情况自然相当担忧,并开始研究是否可以转而生产MLC闪存。让人意外的是,之后的发展比预料的要好,第一批基于MLC的企业级固态硬盘就这样面世了。
然而重要的是,为什么会出现这种价格上的差异呢?毕竟SLC芯片的模片区(die area)只是大约两倍于MLC芯片的模片区。
之所以出现价格上的差异,是由于使用SLC闪存的应用领域寥寥无几,于是许多NAND制造商干脆停止生产SLC闪存。制造成本与厂商生产的任何一款芯片的绝对出货量有关,因此,制造商们迫切希望减少所生产的芯片的品种。由于生产SLC NAND的生产商很少,加上SLC产量缩减,改而投产MLC,货源紧缺情况随之出现,同时竞争性报标也拉高了价格。
耐用性
SSD控制器已经采取诸多方法把NAND的耐用性问题在系统面前隐藏起来。比如说,大多数SSD使用DRAM用于写操作合并(write coalescing),这个方法是指从闪存块的几个不同部分合并写操作,通过一次性操作把它们呈现给闪存块,而不是作为小的写操作序列。尽管单单这一步就能把写操作次数减少一个数量级,但DRAM还可用做写操作高速缓存,在很短时间内把多个写操作“诱捕”到同一个位置—高速缓存设计人员将其称之为“时间局部性”(temporal locality),从而把写到NAND的操作次数再减少一两个数量级。
除此之外,还采用了损耗均衡(wear-leveling)和超量配置(over-provisioning,固态硬盘中的NAND数量超过允许系统看到的数量)等其他技术,实际写到任何闪存块的操作次数因而会变得极少。
软件执行中进行了数量众多的写操作周期,用户并没有意识到。大多数用户以为,只有用户保存文件时,才会出现写到磁盘的操作,但实际上,操作系统会不断把小页面的各种内部处理数据写到磁盘上。
Xiotech公司在2009年闪存峰会上展示的测试结果表明,Windows 7一次简单的启动过程会涉及100.1万次磁盘输入/输出操作,其中1/4是写操作。由于许多用户每天只启动一次电脑,那么,这么高的数字会让人以为电脑中的SSD在相对较短的时间里出了什么故障。然而,由于写操作合并、高速缓存、损耗均衡和超量配置等技术减少并隐藏了这些写操作,固态硬盘实际出现的损耗会大大减小,数量众多的磁盘输入/输出并不能表明什么。
速度
许多固态硬盘厂商充分利用了固态硬盘架构的一个固有优点,即固态硬盘中数量众多的NAND芯片使设计人员得以利用并行数据路径来增加内部带宽。如果可以同时读取、写入及擦除多块芯片,为什么要在一块芯片上执行输入/输出操作呢?比如说,英特尔的固态硬盘使用10个内部通道,SandForce的固态硬盘控制器使用16个通道,而Fusion-io的固态硬盘使用25个通道。
大多数系统面临的限制因素在于,控制器上输入/输出引脚数量的增加会提高控制器成本。另外,如果要求系统使用多个通道,那么,SSD的最小容量就比支持较少通道的同一控制器的SSD要大。
有了所有这些通道,SSD的内部数据路径通常比输入/输出通道所能支持的速度快得多。而说到SLC与MLC之争,不管使用哪一种闪存,固态硬盘的内部读取速度都会比输入/输出通道快得多,而速度可能明显不同的惟一方面体现在写操作上。如上所述,实际写到NAND芯片的操作次数非常少,而这种数量锐减的写操作在MLC闪存中执行的速度不及在SLC闪存中执行的速度。最终结果是,基于MLC的SSD其运行速度不及基于SLC的SSD的快,但这种差异也许不足以明显降低系统的总体性能。
控制器
微控制器和专用集成电路(ASIC)遵循摩尔定律。利用一定数额的预算能购买的计算功能每年都在急剧增加。这就意味着SSD控制器的设计人员可以不断改进产品,价位保持固定。几年前价格还高得离谱的控制器现在用非常合理的价格就能制造出来。
随着控制器的功能不断增强,SSD中所用闪存的质量可能下降。纠错机制将从2位变成4位,再变成8位或更高。可能需要针对损耗均衡、碎片收集和写操作管理来采用比较复杂的算法。最重要的是,质量较低的闪存可以代替质量较高的闪存,因为控制器的更高性能让它弥补任何随之出现的错误。
在这种情况下,SSD厂商将来从SLC NAND改用MLC NAND完全是很自然的事。从更长远的角度来看,最终会改用3位和4位NAND技术,尽管这些技术如今被视为“充其量也是不确定”。
企业级固态硬盘厂商会从SLC改用MLC吗?一些厂商已经在这么做了。比如说,STEC和Fusion-io好几个月来一直在交付MLC版本的企业级固态硬盘。
请记住一点: 直到2007年年底,SSD行业中几乎所有厂商都一致认为,MLC不可能用于任何SSD中,无论是在消费级领域还是在企业级领域。后来到了2008年,市场上出现了第一批基于MLC的消费级固态硬盘;而到该年年底,几乎所有消费级SSD都使用了MLC。
与之相似的是,2009年伊始,业界普遍认为,MLC不可能用于企业级SSD环境;但进入2010年后,一些企业级SSD供应商已经在交付基于MLC闪存的SSD了。企业级SSD非常有可能走上与消费级SSD一样的道路。
目前,许多企业级SSD厂商已经在各自现有的基于SLC的SSD产品线上添加了基于MLC的 SSD。Objective Analysis公司预计,到2010年年底,企业级SSD中很大一部分将会基于MLC。实际上,到今年年底,所交付的企业级SSD总量中可能将有一半会采用MLC NAND闪存。再过几年,几乎所有企业级SSD都可能基于MLC NAND闪存。
不过,也有专业人士认为,基于SLC的SSD在其高端领域可能始终会有一席之地,这是由于它本身所具有的耐用性和性能方面的优势决定的。但他们也承认,改用MLC企业级SSD是大势所趋,因为诸多厂商已经想出了创新的办法,利用软件和控制器技术来缩小MLC与SLC之间在性能和耐用性方面的差异。
行业调研公司Storage Strategies Now的高级分析师James E. Bagley最近特别指出,MLC消费级SSD现在的价格是每GB不到6美元; 到今年年底,企业级MLC SSD的批量价格会降到每GB 10美元以下,虽然这与传统硬盘的价格仍相差很大,但这个趋势还是很鼓舞人心。
另外,Bagley还指出今年SSD领域的另外几个趋势,包括基于SAS的MLC企业级SSD和新的文件管理策略,这些策略能更有效地将SSD采用到存储阵列中,如EMC公司的FAST和Sun公司的ZFS等,还会出现更多的类似策略。
链接
MLC、SLC和DRAM
基于闪存的固态硬盘(SSD)采用闪存芯片作为存储介质,其最大的优点是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境,但使用年限不高。在基于闪存的固态硬盘中,存储单元分为两类,即SLC(Single Layer Cell,单层单元)和MLC(Multi-Level Cell,多层单元)。SLC的缺点是成本高、容量小、速度快,而MLC的特点是容量大、成本低,但速度慢。MLC的每个单元是2bit,比SLC多了一倍。不过,由于每个MLC存储单元中存放的资料较多,结构相对复杂,出错的几率也会增加,必须进行错误修正,而这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外,SLC闪存的优点是复写次数高达10万次,比MLC闪存高10倍。此外,为了保证MLC的寿命,控制芯片采用校验和智能磨损平衡技术算法,使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊,以达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。
基于DRAM的固态硬盘采用DRAM作为存储介质,目前应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计,可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理,并提供工业标准的PCI和FC接口,用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器,而且使用寿命很长,美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。
在基于闪存的固态硬盘
(SSD)领域,眼下一场
颇为激烈的争论正在进行,其焦点就是企业级SSD能不能使用多层存储单元(MLC)技术,而不是单层存储单元(SLC)技术—目前,SLC技术在企业级SSD中正占据着主导地位。Objective Analysis市场研究和咨询公司认为,企业级SSD不但会使用MLC技术,而且在不远的将来,几乎所有的企业级SSD最终都会采用MLC闪存。
持以上观点的人所考虑的因素主要包括:
● MLC闪存的价格可能大大低于SLC闪存;
● 许多企业级SSD不需要SLC闪存所提供的那么高的耐用性;
● 尽管MLC的速度不及SLC,但SSD的控制器可以弥补或缓解速度差异;
● SSD控制器正在迅速得到改进。
价格
2008年年底,SLC NAND的价格达到MLC的4.5倍(见图中的虚线)。由于固态硬盘生产商们预计SLC的价格会保持两倍于MLC闪存的价格,因此,他们对这种情况自然相当担忧,并开始研究是否可以转而生产MLC闪存。让人意外的是,之后的发展比预料的要好,第一批基于MLC的企业级固态硬盘就这样面世了。
然而重要的是,为什么会出现这种价格上的差异呢?毕竟SLC芯片的模片区(die area)只是大约两倍于MLC芯片的模片区。
之所以出现价格上的差异,是由于使用SLC闪存的应用领域寥寥无几,于是许多NAND制造商干脆停止生产SLC闪存。制造成本与厂商生产的任何一款芯片的绝对出货量有关,因此,制造商们迫切希望减少所生产的芯片的品种。由于生产SLC NAND的生产商很少,加上SLC产量缩减,改而投产MLC,货源紧缺情况随之出现,同时竞争性报标也拉高了价格。
耐用性
SSD控制器已经采取诸多方法把NAND的耐用性问题在系统面前隐藏起来。比如说,大多数SSD使用DRAM用于写操作合并(write coalescing),这个方法是指从闪存块的几个不同部分合并写操作,通过一次性操作把它们呈现给闪存块,而不是作为小的写操作序列。尽管单单这一步就能把写操作次数减少一个数量级,但DRAM还可用做写操作高速缓存,在很短时间内把多个写操作“诱捕”到同一个位置—高速缓存设计人员将其称之为“时间局部性”(temporal locality),从而把写到NAND的操作次数再减少一两个数量级。
除此之外,还采用了损耗均衡(wear-leveling)和超量配置(over-provisioning,固态硬盘中的NAND数量超过允许系统看到的数量)等其他技术,实际写到任何闪存块的操作次数因而会变得极少。
软件执行中进行了数量众多的写操作周期,用户并没有意识到。大多数用户以为,只有用户保存文件时,才会出现写到磁盘的操作,但实际上,操作系统会不断把小页面的各种内部处理数据写到磁盘上。
Xiotech公司在2009年闪存峰会上展示的测试结果表明,Windows 7一次简单的启动过程会涉及100.1万次磁盘输入/输出操作,其中1/4是写操作。由于许多用户每天只启动一次电脑,那么,这么高的数字会让人以为电脑中的SSD在相对较短的时间里出了什么故障。然而,由于写操作合并、高速缓存、损耗均衡和超量配置等技术减少并隐藏了这些写操作,固态硬盘实际出现的损耗会大大减小,数量众多的磁盘输入/输出并不能表明什么。
速度
许多固态硬盘厂商充分利用了固态硬盘架构的一个固有优点,即固态硬盘中数量众多的NAND芯片使设计人员得以利用并行数据路径来增加内部带宽。如果可以同时读取、写入及擦除多块芯片,为什么要在一块芯片上执行输入/输出操作呢?比如说,英特尔的固态硬盘使用10个内部通道,SandForce的固态硬盘控制器使用16个通道,而Fusion-io的固态硬盘使用25个通道。
大多数系统面临的限制因素在于,控制器上输入/输出引脚数量的增加会提高控制器成本。另外,如果要求系统使用多个通道,那么,SSD的最小容量就比支持较少通道的同一控制器的SSD要大。
有了所有这些通道,SSD的内部数据路径通常比输入/输出通道所能支持的速度快得多。而说到SLC与MLC之争,不管使用哪一种闪存,固态硬盘的内部读取速度都会比输入/输出通道快得多,而速度可能明显不同的惟一方面体现在写操作上。如上所述,实际写到NAND芯片的操作次数非常少,而这种数量锐减的写操作在MLC闪存中执行的速度不及在SLC闪存中执行的速度。最终结果是,基于MLC的SSD其运行速度不及基于SLC的SSD的快,但这种差异也许不足以明显降低系统的总体性能。
控制器
微控制器和专用集成电路(ASIC)遵循摩尔定律。利用一定数额的预算能购买的计算功能每年都在急剧增加。这就意味着SSD控制器的设计人员可以不断改进产品,价位保持固定。几年前价格还高得离谱的控制器现在用非常合理的价格就能制造出来。
随着控制器的功能不断增强,SSD中所用闪存的质量可能下降。纠错机制将从2位变成4位,再变成8位或更高。可能需要针对损耗均衡、碎片收集和写操作管理来采用比较复杂的算法。最重要的是,质量较低的闪存可以代替质量较高的闪存,因为控制器的更高性能让它弥补任何随之出现的错误。
在这种情况下,SSD厂商将来从SLC NAND改用MLC NAND完全是很自然的事。从更长远的角度来看,最终会改用3位和4位NAND技术,尽管这些技术如今被视为“充其量也是不确定”。
企业级固态硬盘厂商会从SLC改用MLC吗?一些厂商已经在这么做了。比如说,STEC和Fusion-io好几个月来一直在交付MLC版本的企业级固态硬盘。
请记住一点: 直到2007年年底,SSD行业中几乎所有厂商都一致认为,MLC不可能用于任何SSD中,无论是在消费级领域还是在企业级领域。后来到了2008年,市场上出现了第一批基于MLC的消费级固态硬盘;而到该年年底,几乎所有消费级SSD都使用了MLC。
与之相似的是,2009年伊始,业界普遍认为,MLC不可能用于企业级SSD环境;但进入2010年后,一些企业级SSD供应商已经在交付基于MLC闪存的SSD了。企业级SSD非常有可能走上与消费级SSD一样的道路。
目前,许多企业级SSD厂商已经在各自现有的基于SLC的SSD产品线上添加了基于MLC的 SSD。Objective Analysis公司预计,到2010年年底,企业级SSD中很大一部分将会基于MLC。实际上,到今年年底,所交付的企业级SSD总量中可能将有一半会采用MLC NAND闪存。再过几年,几乎所有企业级SSD都可能基于MLC NAND闪存。
不过,也有专业人士认为,基于SLC的SSD在其高端领域可能始终会有一席之地,这是由于它本身所具有的耐用性和性能方面的优势决定的。但他们也承认,改用MLC企业级SSD是大势所趋,因为诸多厂商已经想出了创新的办法,利用软件和控制器技术来缩小MLC与SLC之间在性能和耐用性方面的差异。
行业调研公司Storage Strategies Now的高级分析师James E. Bagley最近特别指出,MLC消费级SSD现在的价格是每GB不到6美元; 到今年年底,企业级MLC SSD的批量价格会降到每GB 10美元以下,虽然这与传统硬盘的价格仍相差很大,但这个趋势还是很鼓舞人心。
另外,Bagley还指出今年SSD领域的另外几个趋势,包括基于SAS的MLC企业级SSD和新的文件管理策略,这些策略能更有效地将SSD采用到存储阵列中,如EMC公司的FAST和Sun公司的ZFS等,还会出现更多的类似策略。
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MLC、SLC和DRAM
基于闪存的固态硬盘(SSD)采用闪存芯片作为存储介质,其最大的优点是可以移动,而且数据保护不受电源控制,能适应于各种环境,但使用年限不高。在基于闪存的固态硬盘中,存储单元分为两类,即SLC(Single Layer Cell,单层单元)和MLC(Multi-Level Cell,多层单元)。SLC的缺点是成本高、容量小、速度快,而MLC的特点是容量大、成本低,但速度慢。MLC的每个单元是2bit,比SLC多了一倍。不过,由于每个MLC存储单元中存放的资料较多,结构相对复杂,出错的几率也会增加,必须进行错误修正,而这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外,SLC闪存的优点是复写次数高达10万次,比MLC闪存高10倍。此外,为了保证MLC的寿命,控制芯片采用校验和智能磨损平衡技术算法,使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊,以达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。
基于DRAM的固态硬盘采用DRAM作为存储介质,目前应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计,可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理,并提供工业标准的PCI和FC接口,用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器,而且使用寿命很长,美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。