基于RAM和閃存的固態存儲一直以來都被業界認為是解決性能問題的一劑良藥。對于性能問題，業界都會有這樣的困惑，即企業需要實現什么樣的性能，以及為實現這樣的性能，企業愿意付出多少投資?近些年來，由于閃存的使用壽命、可靠性的大幅提高以及購買成本的降低，固態存儲逐漸成為越來越多的數據中心用例的一個可行的選項。

一般來說，基于硅晶片的存儲系統要比那些依賴移動機械部件的存儲能夠傳遞更高的性能。磁盤系統的性能是與磁盤的旋轉速度和驅動器的速度成正比的。傳統的消費類的SATA磁盤的運行速率大約在5400RPM——7200RPM之間，而高端的、企業級的SAS(串行連接接口)硬盤的運行速率可達15000RPM。眾所周知，高速率帶來的是更好的性能，但是對存儲的更高精度的要求意味著其成本也會越高。

當然，用戶也可以通過增加磁盤的軸數，并通過多個驅動進行數據的輸入和輸出來解決一些性能的問題。而且，這時候IOPS(每秒I/O的運行情況，也就是系統每秒鐘可以處理數據輸入和輸出的數量)和數據吞吐量(每秒鐘字節的傳輸數量)也會隨之增加。但是，無論磁盤的軸數增加多少，都無法改變磁盤旋轉的基本性能限制，因為磁盤的旋轉速度存在延時性(即系統響應每一個IO要求的所需要的時間)。

不過，延時性也是固態存儲的一個閃光點。一般來說，磁盤驅動器的延時性是以毫秒來計算的，而RAM和閃存的延時性則是以微妙來計算的。關于響應時間，閃存要比磁盤存儲快100倍，而RAM比閃存還要快很多倍。但是，相比之下RAM的價格也比閃存貴很多倍，對于業界來說，閃存則處于最優性價比位置。如果，用戶既要求速度，又想節省成本的話，那么閃存可謂是一個最佳選擇。

最終的結果是，閃存以物美價廉的絕對優勢拿下了數據中心。目前，許多企業級存儲供應商將基于閃存的SSD(固態存儲)整合到其現有的SAN和NAS產品中，由此高性能的全閃存存儲陣列投放到市場，而閃存也被用于在服務器上讀、寫緩存，以減少負擔過重的SAN的負載壓力。對于某些應用來說，閃存可以幫助它們解決很多問題，以下就是閃存可以幫助解決的一些問題：

OLTP(網上交易流程)：一般來說，大容量的交易流程中都包含了數量非常多的操作。閃存可以有效地幫助提升大容量交易的流程，以及每個交易流程的反應時間。

OLAP：商業智能應用通常利用多維度、多方面的查詢去分析大量的數據，而閃存則非常適用于處理大量的以讀操作為主的I/O。

數據挖掘：有時候，數據集過多導致無法完全存儲在SSD中，閃存就會通過存儲索引表的方式來加速查詢。

虛擬化：隨著越來越多的工作負載從物理服務器中轉移到虛擬服務器中，單一的虛擬主機的性能主要體現在處理能力、可用的存儲空間和磁盤的速度上。IOPS非凡的性能加上閃存的低延時性可以使單一服務器能夠支持更多的虛擬機。

服務器整合：同樣，在虛擬環境中，利用閃存來引導磁盤存儲可以提高單個虛擬機的響應效率，同時也可以轉移存儲系統的性能負擔。

VDI：虛擬桌面基礎設施的啟動蘊藏著巨大的潛力，但是對于很多企業來說它似乎并沒有實現它該有的效果。閃存可以解決VDI比較突出的一些問題，如“啟動風暴”——大量用戶在同一時間試圖登錄他們的虛擬桌面導致輸入和輸出數量激增。

SAN卸載：就像前面提到的，許多頂級的存儲供應商將閃存整合到他們的產品中，主要包括兩種形式，即混合的磁盤+存儲和全閃存配置。使用SSD可以非常有效地提高SAN的性能，主要表現在IOPS、吞吐量和延時性等幾方面。

簡單地說，閃存可以使應用運行地更快。當應用存儲在閃存中，它可以啟動地更加快速。任何一個依賴于多模塊的應用從閃存中載入記憶時，其性能就會明顯增強。閃存可以減少I/O的瓶頸，這些瓶頸會造成CPU運行周期的浪費，并導致應用的功能運行不良。閃存還可以提供更多的好處，比如通過擴展相同應用的性能以滿足更高的需求。

閃存的另一個優勢是，相對于磁盤它擁有更小的硬件腳本。用戶可以通過增加磁盤的軸數來增加旋轉磁盤的吞吐量，但是它將需要更多的磁盤驅動，以便從單一的閃存SSD中得到同樣的IOPS和吞吐量。而閃存可以顯著地減少磁盤所需要的數量，這樣就會節省很多存儲空間。

此外，閃存設備比其他類似的存儲設備能夠節省大量的電力，這大大減少了企業的總體運行成本。由此可以看到，閃存確實擁有諸多的優勢，既能比磁盤提供更大的性能，又能夠在相對較短的工作時間內節省動力和成本。

要想真正弄懂和利用閃存的這些優勢，首先需要明白數據是如何被存儲，如何被檢索，以及如何從NAND閃存上抹去的。

閃存解讀

計算機是由處理器、記憶、I/O和存儲這些基本的組件構成。認真研究記憶的話，會發現它有兩種基本類型：易失的和非易失的。這兩種記憶類型的根本區別在于，當電源停止時這兩種記憶類型的表現。當沒有電源供應時，易失記憶會丟失其內容，而非易失記憶則仍然會保存其內容。當一臺計算機首次接入電源時，它會從存儲在ROM的非易失記憶中讀取指令。

閃存就類似于EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)的一個延伸版，同時閃存也從用于指令的邏輯單元中產生了兩種基本類型：NAND和NOR。NOR閃存對于每個單一設備都需要兩個物理連接，即使這樣做會減少單一設備的存儲功能，但是它可以有效地訪問數據，就像易失電腦記憶一樣。所以，NOR閃存對于可執行代碼和嵌入式應用來說是一個理想選擇。

NAND記憶體是最常見的一種閃存，通常用于閃存卡、U盤和固態驅動，它可以以大區塊進行讀取和抹寫，因此也稱為pages。NAND閃存設備相比NOR閃存設備能夠存儲更多的信息，因為存儲單元的區塊只需要少量的連接來讀取和抹寫數據。

由于NAND閃存工作的性質，新的文件系統、存儲和檢索數據的方式突然出現。傳統文件系統一般采用的是一種隨機的接入方式，而NAND閃存則更適合按順序抹寫的數據流。如果利用NAND進行隨機接入的話，將需要一定的存儲空間以保證其正常工作，也就是閃存記憶體控制器發揮作用的地方。這一控制器復雜的程度與消費級和企業級的設備有著本質上的區別。

閃存記憶使用單元格的概念，并將其劃分為數據存儲最低的級別。SLC和MLC是兩種不同的NAND閃存存儲器。SLC(單層式存儲)利用一組晶體管來存儲少量數據(即一位數據或零位)，而MLC(多層式存儲)每一個單元則可以存儲兩位數據，MLC的數據密度要比SLC的數據密度大一倍。

MLC和TLC(三層存儲單元)其每個存儲單元中存儲三類信息，閃存的密度有所提升，但這也是利弊兼有，高密度同時也伴隨著性能、可寫入次數和使用壽命的消耗。

SLC是閃存中最可靠的一種存儲類型，因為每一個存儲單元只儲存了一個單一比特的數據信息。考慮到寫入周期的數目，SLC閃存的耐力等級近似于MLC的十倍，因此記憶體在其不能有效地存儲數據之前，仍然可以應付目前其所面臨的一些挑戰。而且，由于SLC利用了許多晶體管以儲存同等數量的數據，因此其抹寫的速度要比MLC快三到五倍。不過，在讀取方面，SLC和MLC設備的性能相差無幾。

傳統的NAND閃存設備組都轉換成了頁面和區塊，一個頁面NAND閃存是讀取和抹寫的數據量中最小的可尋址數據，其能夠存儲的數據量的范圍大概在512比特到8192比特之間。一塊NAND閃存，它是可被刪除的最小數據量，可能會小到10頁，但是在某些大型設備中其能夠存儲的數據量也可以達到128KB。可以明顯看到，不同程度的抹寫和刪除是如何影響性能的，而且無論何時控制器都需要重新安排存儲在設備上的數據。

NAND閃存設備設計方式的一個副作用是考慮最小化存儲單元的數量，而這些存儲單元必須要同時抹寫或者刪除數據。與磁盤存儲不同，NAND閃存設備需要以一個線性的流程來進行抹寫和刪除數據。這樣的一個直接結果就是，需要將數據從一個地點遷移到另一地點，以便回收空間，這一過程被稱為自動程序清理(garbage collection)。

與自動程序清理關系最接近的另外一個現象被稱為寫入放大率，如果特定設備的抹寫請求所需要的空間比該設備現有的可用的空間要大的話，那么就會出現延遲，而控制器將通過自動程序清理重新安排空間，由此這些數據就可以存儲在新的、已清理干凈的存儲單元上。企業級的閃存設備一般都會在設備中存儲大量的數據，同時也會額外保存一部分容量，單獨供應自動程序清理流程使用。

由于閃存擁有更多自由的存儲單元而避免了“抹寫困境”，因此相對于磁盤存儲來說，閃存的性能更能保持始終如一的狀態。隨著磁盤上的數據越來越碎片化，磁盤存儲的性能逐漸下降，而閃存并沒有這樣的問題。

但是閃存存儲單元隨著時間的推移也會喪失它們存儲數據的能力，而且一些存儲單元的損耗比其他的要快。在整個設備中推廣存儲單元應用的一種方法是在閃存控制器中采用損耗平衡的算法，以減少每組存儲單元寫入周期的數目。而這就是超額配置發揮作用的地方，即不能使用的存儲單元會被標記出來，而可用的存儲單元則會執行存儲任務。

整合到控制器里的超額配置和智能化是區分企業級存儲設備與消費級存儲設備之間有所不同的標志，同時企業級設備也會采用更加復雜的錯誤更正算法，這不僅能夠提高數據的整合度，同時也可以延長設備的使用周期。

最佳方案：服務器與存儲的混合陣列

盡管閃存可能更適合讀取數據(而不是抹寫)，閃存抹寫數據需要由大量的平行存儲途徑進行輔助，但它仍然比硬盤驅動的速度要快。相比旋轉型磁盤，閃存擁有更高的IOPS和更大的吞吐量，以及更低的延時性。一般來說，判斷閃存設備的性能也是基于這三方面。

考慮到閃存的一個單通道的吞吐量就能達到800MBps，計算機與閃存記憶體之間的潛藏的瓶頸就是設備界面。SATA III界面的最大速度可達6Gbps(600MBps)，而SAS的速度也達到了6Gbps，同時SAS 12Gbps的設備也剛剛推出。在每秒支持多個字節的轉換速率中，PCIe(串行總線)可以為閃存設備提供一個更高的性能。

毫無疑問，PCIe閃存設備可以促進數據中心對于閃存使用的需求，它們可以用來解決一些服務器端的性能問題。PCIe閃存板上利用PCIe的一個狹槽安裝了一個服務器，這種設備可以直接進入到計算機的外圍總線，并可以傳遞出更高的吞吐量。

針對傳統的旋轉磁盤，要解決其性能局限的一種方法就是將閃存作為一個緩存來進行讀取和抹寫的操作。目前的硬盤驅動模型一般在其設備上都有緩存，但是在整個磁盤空間中緩存只占一小部分。而且它不足以進行更大的讀取和抹寫的操作，或者實現智能緩存。將服務器端的閃存(PCIe閃存卡或者SSD)和智能緩存軟件結合起來，是利用固態存儲最有效且節省成本的一種方式。

同樣地，SSD在磁盤陣列中被用于讀取和抹寫緩存，在分級存儲系統中SSD作為新的“0級”被廣泛采用。許多高端存儲供應商在其產品中添加了分層的功能，但是這一過程可能會需要很長時間。針對特定的應用，可以使用速度更快的閃存以傳遞更高的性能，同時可以將性能要求較低的數據遷移到運行速度比較慢的磁盤存儲系統上。據悉，這一概念已整合到Windows Server 2012的操作系統中。

最終，全SSD存儲系統使得整體吞吐量達到了一個前所未有的級別，同時也為所有的應用和使用該系統的用戶保證了低延遲性。多數情況下，由于SSD存儲的成本較高，同時業界也普遍存在這樣的想法，即認為全閃存解決方案對于用戶實際需要存儲的數據來說可能供大于求，所以IT操作會首先避免使用全SSD存儲系統。事實上，雖然用戶在初次購買全閃存系統時其成本可能會更高一些，但是從長遠來看全閃存的操作成本基本與其他類型的存儲系列持平，因此在實際的應用過程中用戶可能會更傾向于閃存。

從性能的角度來看，閃存的價格明顯比磁盤存儲的價格要高，企業級SSD的訂單價格是每千兆字節一般是1美元、2兩美元或者更高，而硬盤驅動其每千兆字節的價格則少于10美分。即使存儲成本以每年30%的速度減少，但是要彌補差距，閃存還需要花上幾年的時間才能實現。

創建一種成本效益好且全閃存系統的關鍵是將低成本的消費級設備和智能軟件堆棧結合起來，去解決那些之前需要在高端設備上解決的問題。許多供應商提供的全閃存解決方案中使用傳統的處理方式進行內嵌重復數據復制處理和數據壓縮，以減少磨損，并延長MLC設備的使用壽命。

對于大多數企業的IT部門來說，應用的種類及其所涉及的范圍非常廣泛，同時其對性能的要求也是多種多樣，在可預見性的未來，服務器端的閃存和混合陣列將成為利用閃存的一種最佳方式。這兩種方式都將給特定的應用帶來更高的性能，同時不需要購買更多價格更高，而且用戶可能也不是很需要的閃存解決方案。

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