不難看出現(xiàn)實生活中的性能數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)有何不同。但這是什么原因？這些性能變化如何發(fā)生以及如何正確解釋SSD性能數(shù)據(jù)。
隨著存儲容量的不斷增加，傳輸速度必須以類似的方式增加。比起傳統(tǒng)HDD，SATA SSD提供極大的改進(jìn)，最新的PCI Express SSD更進(jìn)一步提升此性能。性能是固態(tài)硬盤之間的關(guān)鍵區(qū)別。當(dāng)每個制造商發(fā)布具有MB / s和IOPS指示的數(shù)據(jù)表時，將兩個設(shè)備相互比較似乎相當(dāng)容易，但這根本遠(yuǎn)離現(xiàn)實。數(shù)據(jù)表通常對新開箱即用的性能數(shù)據(jù)提供深入了解，但重要的是能夠清除不切實際的性能數(shù)據(jù)并解釋它們的實際情況。
順序讀寫性能以MB/s表示。順序操作以連續(xù)方式訪問存儲設(shè)備上的位置并且通常與大數(shù)據(jù)傳輸大小（例如128kB或更大）相關(guān)聯(lián)，而隨機操作以非連續(xù)方式訪問存儲設(shè)備上的位置并且通常與小數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)傳輸大小（例如4kB）。隨機讀寫操作的性能在每秒輸入/輸出操作數(shù)（IOPS）中說明。最新固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)表可輕松獲得3000 MB/s的順序?qū)懭胄阅芎?00,000 IOPS以及更多的隨機寫入性能。
最佳和最差案例表現(xiàn)之間的差異有多大？
可以預(yù)期連續(xù)達(dá)到這些數(shù)值。為了驗證我們自己的閃存控制器并將其與競爭對手進(jìn)行比較，我們在實驗室中對它們進(jìn)行了嚴(yán)格的測試。我們的標(biāo)準(zhǔn)測試包括CrystalDiskMark性能測試，以測試最初所謂的“開箱即用”的性能。接下來是IOmeter產(chǎn)生的72小時連續(xù)隨機寫入工作負(fù)載。在此之后，再次進(jìn)行CrystalDiskMark性能測試以評估“穩(wěn)態(tài)”性能，即最差情況下的性能。或許在最佳案例和最差案例表現(xiàn)之間確實存在差異并沒有出人意外，可是兩者之間的差異程度是相當(dāng)大。更令人驚訝的是，IOmeter測試中的性能極短的時間內(nèi)會惡化。在對幾十個固態(tài)硬盤進(jìn)行測試后，我們可以得出結(jié)論，絕大多數(shù)硬盤幾乎無法在100秒內(nèi)保持其廣告性能 - 即一分半鐘。所有測試中性能均顯著下降。圖1顯示我們的一個測試中IOPS超過測試時間的示例性進(jìn)展。首先要注意的是，驅(qū)動器的廣告宣傳“高達(dá)84k IOPS”，第一次測量顯示接近26k IOPS大約50秒。在這段時間之后，性能直線下降至不超過1k。經(jīng)過15分鐘的測試時間后，性能開始在接下來的71小時內(nèi)以1.8k IOPS的值振蕩。
圖1：驅(qū)動器上的連續(xù)隨機寫入工作負(fù)載以及IOPS中的相應(yīng)性能
如此嚴(yán)重的性能下降背后的原因是什么？
導(dǎo)致固態(tài)硬盤性能下降的原因有很多。閃存控制器在后臺持續(xù)執(zhí)行任務(wù)：垃圾收集，耗損均衡，動態(tài)數(shù)據(jù)刷新，RAID數(shù)據(jù)計算和校準(zhǔn)。在短暫的讀取和寫入訪問期間，控制器能夠?qū)⑵潆[藏不被用戶發(fā)現(xiàn)。由于大多數(shù)基準(zhǔn)測試通常只運行幾秒鐘，因此它們不會隨著時間的推移而捕獲性能下降。
在我們看到之前測試中性能如何快速下降之后，我們現(xiàn)在將研究性能在SSD的使用壽命期間如何變化。為了測量這一點，我們按順序?qū)?shù)據(jù)寫入SSD直到寫滿為止并回讀所有數(shù)據(jù)，同時測量每項任務(wù)所需的時間。這反復(fù)進(jìn)行，直到驅(qū)動器壽命結(jié)束。
閃存技術(shù)如何影響驅(qū)動器的速度？
首先，圖2顯示測試的驅(qū)動器具有6000個循環(huán)的壽命。這是使用當(dāng)代3D TLC閃光燈的驅(qū)動器的最佳結(jié)果之一，因為它們之中大多數(shù)都可以使用大約3000次循環(huán)。超過五分之一的測試驅(qū)動器在達(dá)到2000個周期之前就失敗了。當(dāng)閃存技術(shù)是新的并且最初的SLC技術(shù)提供100,000個生命周期時，時間已經(jīng)過去。因為TLC閃存的引入和閃存中較大量的錯誤，而需要新的糾錯方法。這些使用一種稱為軟解碼的方法來應(yīng)對通常會在生命結(jié)束時發(fā)現(xiàn)的大量錯誤。軟解碼多次從閃存中讀取數(shù)據(jù)，這顯著增加了讀取數(shù)據(jù)所需的時間，從而最大限度地降低了性能，如圖所示。
圖2：整個設(shè)備的讀取時間延長到壽命結(jié)束。隨著時間增加三倍，速度分別降低到初始速度的33％。
然而，使用 TLC 和 QLC 閃存技術(shù)，在使用壽命即將結(jié)束時還出現(xiàn)更高的誤碼。它們對交叉溫度效應(yīng)也更為敏感。這描述了一種情況，即數(shù)據(jù)在一個溫度下寫入存儲器并在另一個溫度下讀出。即使在正常的筆記型電腦中，使用幾個小時后，溫度也很容易從室溫（25°C）開始變化到50或60°C。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用則是遇到更高的溫差。使用TLC和QLC閃存技術(shù)，更有可能從需要軟解碼的存儲器中遇到大量的誤碼，從而降低性能。
除了更高的誤碼率之外，TLC和QLC閃存技術(shù)還有另一個缺點：閃存本身速度較慢，因為讀取和編程時間增加了。為了向用戶隱瞞這一點，大多數(shù)驅(qū)動器在SLC模式下使用部分內(nèi)存，這樣可以存儲較少位，而運行速度會快很多。此SLC緩存通常占驅(qū)動器容量的百分之幾。它可能導(dǎo)致前面解釋的性能下降：一旦緩存已滿，寫入速度就會降低。
溫度對性能有何影響？
除此之外，性能在很大程度上取決于溫度 - 環(huán)境溫度以及驅(qū)動器的內(nèi)部溫度。圖2顯示在室溫下大約25°C完成的連續(xù)順序寫入測試的PCIe SSD。驅(qū)動器能夠傳輸超過1.2GB/s時間約95秒，之后封裝內(nèi)的芯片本身明顯變熱了。為了防止自身過熱，執(zhí)行稱為熱節(jié)流的機制。驅(qū)動器限制了其性能，以最大限度降低功耗，從而減少內(nèi)部積聚的熱量。
圖3：PCI Express SSD隨時間和溫度的連續(xù)順序?qū)懭胄阅堋?/em>
總結(jié)
數(shù)據(jù)表將突顯只有在完美條件下才能達(dá)到絕對峰值性能，并且只能在短時間內(nèi)達(dá)到。高溫也可能只是因為驅(qū)動器正在使用，交叉溫度效應(yīng)，存儲器類型，快速緩存容量和驅(qū)動器壽命階段引起，這些都是影響性能的因素。因此，在比較SSD時，考慮數(shù)據(jù)表中的數(shù)字僅僅只是反映整個主題的單一方面。
Name: Sandro-Diego W?lfle
Job Title: Product Manager
Sandro-Diego W?lfle is responsible for product life-cycle management, i.e. the activities from product proposal, development, launch, mass production until the end of life. Having worked as senior hardware design engineer before, he has a deep understanding of Hyperstone′s technology. He holds a Master in Electronics and Information Technology from the Karlsruhe Institute of Technology, Germany and a Master in Business and Leadership from the Zeppelin University in Friedrichshafen, Germany.