企業(yè)級SSD發(fā)展趨勢

SSD相對于HDD有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：如噪音、體積、重量、容量，3.5寸的固態(tài)硬盤可以做到60TB，2.5寸的固態(tài)硬盤最大可以做到32TB，尤其是SSD硬盤的隨機(jī)讀寫性能大大超過HDD,許多企業(yè)早期在一些關(guān)鍵業(yè)務(wù)開始使用固態(tài)硬盤�，F(xiàn)在唯一制約SSD發(fā)展的是SSD的價(jià)格，SSD價(jià)格下降的一個(gè)重要的因素則是TLC NAND技術(shù)的成熟。

早期為了進(jìn)一步提升NAND存儲密度和降低成本，NAND顆粒的工藝一直在不斷的提升，但是隨著工藝的不斷提升，每個(gè)cell之間的干擾也會變得越來越嚴(yán)重，各家廠商開始研發(fā)3D NAND技術(shù)，在平面基礎(chǔ)上通過NAND顆粒的堆疊來實(shí)現(xiàn)容量的增加�，F(xiàn)階段各家的3D NAND都已經(jīng)開始推出到了48層，最多可以達(dá)到64層甚至更高，后面還有90多層。

除了3D NAND，各個(gè)廠商也開始去研發(fā)新的存儲介質(zhì)，PCM相變存儲器就是其中一種，它利用一個(gè)特殊的材料，在晶態(tài)和非晶態(tài)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的相變來存儲數(shù)據(jù)，我們先不討論它使用什么材料，先看它有哪些優(yōu)點(diǎn)。首先就是比現(xiàn)在的閃存快100倍甚至更多，同時(shí)還有百萬級的數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)，對于電熱的驅(qū)動溫度控制其實(shí)是一個(gè)重要的難點(diǎn)，因現(xiàn)階段的PCM還是處于實(shí)驗(yàn)室階段。

隨著新電路和新主控的出現(xiàn)，z - NAND的讀延時(shí)明顯低于普通的NAND顆粒，與普通NAND相比，壽命也得以大大提高。這就使Z-NAND有一個(gè)介于DRAM和普通SSD之間的性能。

Z-NAND、PCM，3D NAND堆疊技術(shù)，都是在存儲介質(zhì)上正在應(yīng)用或正在探索的技術(shù)，除此之外在SSD的接口協(xié)議上也有一些變化，我們知道SATA SSD繼承了HDD的生態(tài)系統(tǒng)，在兼容性方面有著很好的表現(xiàn)。但現(xiàn)在有很多企業(yè)，逐漸在自己的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)上開始使用NVMe SSD代替SATA SSD，NVMe SSD除了有更高的理論帶寬和更低的延遲，接口相比以前也更加豐富，現(xiàn)在的NVMe SSD不像以前的AIC的端口，U.2接口的出現(xiàn)使NVMe SSD更加易于管理和維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)前端的插拔，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的更換。雖然現(xiàn)在還有許多不利的因素制約著NVMe SSD的發(fā)展，比如像它的功耗、散熱等等，但是圍繞著NVMe SSD也有一些新技術(shù)在不斷推出，使NVMe SSD適配于更多場景。

Dual Port NVMe SSD可以讓一塊存儲設(shè)備可以連接在兩個(gè)不同的磁盤控制器上，當(dāng)其中一個(gè)磁盤控制器出現(xiàn)故障，第二個(gè)控制器可以迅速接手，避免無法使用。為了使每個(gè)磁盤控制器都有足夠的帶寬，通常將U.2接口的PCIe 3.0 x4帶寬一分為二，每個(gè)磁盤控制器在訪問SSD時(shí)都可以擁有一半的帶寬。

Multi-Stream的技術(shù)已經(jīng)寫到NVMe spec V1.3中，根據(jù)主機(jī)端提供的Stream ID，將具有相同或相似生命周期的數(shù)據(jù)寫入到相同的擦除單元中，大大的提高了GC時(shí)效率，減少了寫放大，使得SSD的性能和壽命都有了較大的提升。

Key Value SSD，通過現(xiàn)有的存儲架構(gòu)將KV的接口轉(zhuǎn)成下層的Block接口，在這個(gè)過程中需要KV到LBA再到PBA的轉(zhuǎn)化，這個(gè)轉(zhuǎn)化很消耗資源，KV SSD砍掉了不必要的軟件層和硬件層，使應(yīng)用程序可以更直接的訪問到SSD，大大提高SSD的訪問效率。各大廠商都開始向標(biāo)準(zhǔn)化組織提出他們自己的技術(shù)建議，希望推動KV SSD成為開放性的標(biāo)準(zhǔn)，以此來推動SSD的發(fā)展。

傳統(tǒng)虛擬化都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，雖然實(shí)現(xiàn)了CPU的虛擬化，但沒有實(shí)現(xiàn)I/O的虛擬化，I/O的決策還是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，這樣就會帶來一個(gè)瓶頸并且影響性能。SR-IOV可以將一個(gè)物理控制器虛擬成多個(gè)虛擬控制器，并將一些物理資源分配給虛擬控制器，以此來讓數(shù)據(jù)傳輸繞過軟件模擬層直接分配到虛擬設(shè)備，以達(dá)到降低軟件模擬層中的I/O開銷的目的。

NVMe over Fabric，這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在研究的人較多，現(xiàn)在一個(gè)SSD可以提供高達(dá)10TB的容量，可以提供十幾萬甚至幾十萬的IOPS，對于單臺服務(wù)器來說是比較浪費(fèi)的，我和互聯(lián)網(wǎng)的同事們溝通過，如果在一個(gè)SSD上存儲太多的數(shù)據(jù)，那么CPU或者內(nèi)存就可能會成為瓶頸。只能少存一些數(shù)據(jù)，這樣也會帶來巨大的空間的浪費(fèi)。在NVMe over Fabric出現(xiàn)之前也有一些其他的互聯(lián)協(xié)議提供一個(gè)共享方式，通過改善系統(tǒng)的性能，以減少CPU的負(fù)擔(dān)，像iSCSI，但是iSCSI仍然受到SCSI協(xié)議的限制，存在較大協(xié)議的開銷，NVMe在單系統(tǒng)上有很高的性能和效率，NVMe over Fabric把高性能高效率帶到了NVMe存儲互聯(lián)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，大大的減少了網(wǎng)絡(luò)的延遲，在低壓力下，NVMe over Fabric環(huán)境下的延遲比本地延遲稍微高一點(diǎn)，但在高壓力下它的延遲和IOPS基本可以做到和本地一個(gè)水平。

現(xiàn)在的閃存介質(zhì)相較于以前已經(jīng)有了比較大的進(jìn)步和發(fā)展，3D NAND技術(shù)使得現(xiàn)在SSD的容量越來越大，有一些新的技術(shù)繞著SSD在不斷的出現(xiàn)，以解決SSD或者SSD使用過程中的痛點(diǎn)，比如KV和Multi stream最大化的挖掘SSD的潛能，SR-IOV和NVMe over Fabric解決SSD在虛擬化和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下的瓶頸。以后還會有更多新的技術(shù)出現(xiàn)。

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