當效果可觀、價格適度的SSD在2008年首次出現(xiàn)時，人們覺得這個技術(shù)相當神奇。隨著時間的推移，NAND和SSD的性價比提高了，但機械硬盤的價格還是比它低一個數(shù)量級。AnandTech的Anand Lal Shimpi表示：我一直主張把SSD和HDD相結(jié)合的解決方案。你可以買一塊足夠大的SSD來裝操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、甚至再裝一兩個游戲，然后把其他一切放在HDD RAID-1陣列中。這種方法用在臺式機上效果很好，但你必須手動管理文件去向。
OEM是如何處理這個問題?我一直都感到好奇。因為教育用戶自己動手，把較大的、不經(jīng)常使用的文件放在一個驅(qū)動器上，把其他東西放在另一個驅(qū)動器上，似乎不太可行。英特爾6系列芯片組采用了Smart Response混合硬盤技術(shù)，將一塊20GB SLC SSD作為傳統(tǒng)硬盤的緩存，希望實現(xiàn)速度的提升。
自那以后，其他一些SSD緩存解決方案也紛紛出現(xiàn)。然而，它們中的大多數(shù)采用的是便宜的、小容量、效果不佳的mSATA SSD。近來，OEM跟SSD緩存供應(yīng)商合作，以勉強滿足超極本認證的最低要求。一般說來，這種方式帶來的體驗非常差。
HDD 制造商也在試圖解決這個問題，但它們的方式是添加少量NAND到機械硬盤中。這通常會讓HDD 的速度變得更快，但跟SSD還是相去甚遠。實際上NAND存儲設(shè)備的容量已經(jīng)大到足以容納你的所有數(shù)據(jù)，所以上述做法就好像是：你堅持使用8MB L3 緩存，其實你本來可以多加幾百美元，買一個16GB。一旦你了解后者的好處，前者似乎就是毫無意義的妥協(xié)了。
蘋果是最早意識到這個問題的OEM之一。該公司所有主流移動設(shè)備都只用NAND(iPhone，iPad和MacBook Air)。最近，蘋果的專業(yè)筆記本電腦甚至也開始朝著純SSD的方向邁進了(配Retina 顯示屏的MacBook Pro)。蘋果Mac確實有不參與低價競爭的資本，因此要拋棄HDD 也容易了很多。即便如此，蘋果現(xiàn)在出貨的6款Mac(MBA、rMBP、MBP、Mac mini，iMac和Mac Pro)中，也只有兩款的默認配置不帶HDD 。其余的都配備了老式機械硬盤。
把iMac這樣的設(shè)備改成純SSD比較困難。雖然筆記本電腦用戶(尤其是超極本用戶)已經(jīng)習(xí)慣了沒有太多存儲空間的設(shè)備，用慣臺式機的人并不一定受得了有限的存儲量。
對于這個問題，蘋果的辦法跟其他SSD / HDD混合解決方案也沒有太大不同。區(qū)別只是在SSD組成部分的大小以及軟件層上。
初識Fusion Drive
全新的Mac mini和iMac可以選擇蘋果的混合硬盤解決方案Fusion Drive。它只有兩個版本：1TB和3TB。 1TB僅適用于iMac和升級的Mac mini(799美元)，3TB只適用于27英寸的iMac。
Fusion Drive 是一塊1TB或3TB HDD(2.5英寸或3.5英寸)跟一塊128GB三星PM830 SSD的組合。在測試中，我使用的是一臺27英寸iMac，1TB的 Fusion Drive。
蘋果Fusion Drive中SSD的容量遠遠高于一般的緩存方案(大多數(shù)OEM都采用8GB到24GB的NAND)。而且蘋果Fusion Drive選用的三星PM830，是我們測試過的SSD中性能和可靠性的最佳組合之一。雖然我個人更喜歡Link A Media 或者Intel S3700，畢竟它們擁有出色、穩(wěn)定的性能，但對于蘋果來說，PM830可能是一個更加實惠的選擇。
當然Fusion Drive與以往的混合/緩存解決方案不同，但它真正的與眾不同之處是軟件部分。Fusion Drive沒有簡單地借用英特爾Smart Response 技術(shù)，它涉及到OS X邏輯卷管理器Core Storage的虛擬化存儲問題。Core Storage最早出現(xiàn)是在獅子版本中，它可以讓操作系統(tǒng)把多個物理磁盤當做一個邏輯卷來對待。
蘋果最初用Core Storage來加密整個磁盤，但現(xiàn)在，Core Storage的使用已擴大到美洲獅的Fusion Drive中。創(chuàng)建Fusion Drive十分簡單。如果你有多個驅(qū)動器，你可以自己使用一些簡單的終端命令來創(chuàng)建一個Fusion Drive。如果你購買了一臺帶有Fusion Drive 的Mac，蘋果就自動為你做好著一切了。
跟傳統(tǒng)的SSD緩存架構(gòu)不同，F(xiàn)usion Drive不是真的緩存，它會根據(jù)訪問頻率和可用空間，在SSD和HDD之間移動數(shù)據(jù)。一個Fusion Drive的容量，實際上是其組成部分的總和。也就是說，一個1TB的Fusion Drive容量實際上是1TB + 128GB;一個3TB 的Fusion Drive容量則是3TB + 128GB。
最新版本的“磁盤工具”(Disk Utility)把 Fusion Drive 顯示為一個驅(qū)動器，標簽為Macintosh HD。但是蘋果并沒有試圖隱藏它的Fusion Drive屬性：在系統(tǒng)報告中，或者使用像iStat Menus這樣的第三方工具，你可以看到兩個驅(qū)動器的狀況：
128GB的SSD顯示容量為121.33GB。 注意：自O(shè)S X 10.6后，蘋果公司開始以10為基數(shù)顯示容量。算一下你就會知道有多少空間被用作了備用區(qū)：
這個128GiB NAND中約11.7%被預(yù)留作為備用區(qū)，標準Mac中的128GiB SSD也是一樣，但這個比例比通常的6.7%要高。增加備用區(qū)比例有助于提升性能的一致性，我個人希望三星SSD能有25%的備用區(qū)。
你可以在Fusion Drive上創(chuàng)建Boot Camp或其他額外的分區(qū)，不過這些分區(qū)都是在HDD上。
Fusion Drive揭秘
我測試用的是一臺新的27英寸iMac。最開始，我用了一個128KB的順序?qū)懭氩僮?隊列深度為1)，并使用iStat Menus 4來監(jiān)測兩個驅(qū)動器的狀態(tài)，我發(fā)現(xiàn)只有SSD接收了最初的寫入操作，HDD上沒有活動。 SSD的寫入速度是322MB / s。但在寫入117GB之后，HDD接管了寫入活動，最初速度大約為133 到175MB / s。
初步測試證實，F(xiàn)usion Drive確實使用了兩個驅(qū)動器。最初117GB寫入到了SSD，接下來的1TB直接寫入到HDD。我覺得它排定優(yōu)先級的方式是：Fusion Drive假設(shè)SSD上有足夠的可用空間(后面將詳細討論)，首先嘗試寫入SSD。
接下來，我想進行隨機IO測試，因為這才是SSD在性能方面超過HDD的地方，通常也是SSD緩存或混合方案功虧一簣的地方。我首先嘗試了最糟糕的情況：涵蓋所有的邏輯塊地址的隨機寫入測試。鑒于Fusion Drive的總?cè)萘渴?.1TB，從這個測試中，我們可以了解蘋果如何在這兩個驅(qū)動器之間映射LBA(邏輯塊地址)。
結(jié)果很有趣的，不過也不算意外。 SSD和HDD都有寫入活動，但HDD更多一些(消耗了更大比例的可用LBA)。普通的4KB(QD16)隨機寫入測試結(jié)果大約是0.51MB / s，它受到了Fusion Drive中HDD部分的限制。
但在隨機寫入任務(wù)結(jié)束之后，HDD和SSD之間出現(xiàn)了直接的數(shù)據(jù)移動。因為LBA是隨機選擇的，一些(相同或只是空間上相似的)地址可能被挑選了不止一次，這些邏輯塊立即被標記為提升到SSD。這是我第一次看到Fusion Drive主動在驅(qū)動器之間移動數(shù)據(jù)。
對于消費級SSD來說，進行全覆蓋的隨機寫入測試可能有點不公平，對SSD / HDD混合方案來說就更不公平了。要了解Fusion Drive處理隨機IO的能力有多強，我把隨機寫入測試限制在LBA的第一個8GB之內(nèi)。
結(jié)果有很大的不同。在第一輪中，平均速度大約是7 到9MB /s，IO絕大部分都發(fā)生在SSD上，一小部分在HDD上。 3分鐘的測試后，我等著Fusion Drive移動數(shù)據(jù)，然后又重復(fù)了一遍。在第二輪中，速度跳升到了21.9MB / s，更多的IO發(fā)生在SSD上，盡管HDD上仍然看得到寫入活動。
圖：大部分的隨機寫入都發(fā)生在SSD上，但仍然有部分到了HDD，移動了一番數(shù)據(jù)和重映射LBA之后，幾乎所有的隨機寫入都到了SSD上，速度也快了很多
在第三次嘗試中，幾乎所有的隨機寫入發(fā)生在SSD上，速度達到98MB / s的峰值，碎片增多時，速度下降到最低35MB / s。我認為，蘋果似乎依據(jù)訪問頻率，把LBA動態(tài)地映射到了SSD上，這是一個非常積極的性能提升方法。歸根結(jié)底，這是通常的SSD緩存方案和Fusion Drive之間存在的重大區(qū)別。大多數(shù)SSD緩存方案似乎都以讀取頻率為基礎(chǔ)，而Fusion Drive看似(至少部分是)考慮了哪些LBA被頻繁寫入，并把它們映射到SSD上。
要注意的是，隨后的隨機寫入測試產(chǎn)生的結(jié)果大不一樣。當我用更多的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序填充Fusion Drive(用真實的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序填充到80%)時，我沒有見到隨機寫入性能能再次達到這樣高的水平。在每次運行中，我看到有很短的時間數(shù)據(jù)到處移動，但隨機IO發(fā)生在HDD和SDD的比例約為7:1。鑒于這兩種驅(qū)動器之間的容量差異，這個比例具有很大意義。如果你的工作負載包含大量的隨機寫入，涵蓋所有可用空間，F(xiàn)usion Drive可能就不太適合你。不過這樣的工作負載大多出現(xiàn)在企業(yè)用戶中，所以對你來說這應(yīng)該不是問題。
數(shù)據(jù)精細度探究
蘋果公司在宣傳Fusion Drive時，談到了文件和應(yīng)用程序級別的數(shù)據(jù)移動，但在現(xiàn)實使用中，數(shù)據(jù)可以以128KB的文件塊在SSD和HDD之間移動。
使用fs_usage工具，你可以看到蘋果Fusion Drive的內(nèi)部工作原理。 文件以128KB的文件塊在驅(qū)動器之間移動，這也是由文件塊的使用頻率來決定的。由于客戶工作負載往往是順序的(在最糟的情況下也是偽隨機)，我們可以比較有把握地說，如果你在一個 128KB的文件塊中訪問一個LBA，你實際上會訪問同一空間中更多的LBA。數(shù)據(jù)遷移過程似乎主要是發(fā)生在閑置期間，雖然我也看到，在IO負載較輕的時候，驅(qū)動器之間也有遷移活動進行。
遷移的快速觸發(fā)機制十分有趣。一旦文件被復(fù)制或者創(chuàng)建出來，應(yīng)用程序啟動，或者其他IO活動完成時，SSD和HDD之間立刻開始進行數(shù)據(jù)遷移。當你填充Fusion Drive時，在SSD和HDD之間移動的數(shù)據(jù)量就大幅收縮了。事情本來就應(yīng)該是這樣。不常訪問的數(shù)據(jù)應(yīng)該放置在HDD 上，真正重要的東西會留在SSD上。當Fusion Drive在寫入時，蘋果就不會那么積極地釋放SSD上的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)遷移過程本身是非常簡單的，數(shù)據(jù)被標志為promotion和demotion，它被物理復(fù)制到新的存儲設(shè)備上，然后它才移走。在遷移過程中，如果出現(xiàn)電源故障，F(xiàn)usion Drive不會造成任何數(shù)據(jù)丟失，只有當一個128KB文件塊的兩個副本就位之后，源塊才會被移除。蘋果去年就告訴過我這件事了，但我現(xiàn)在才親眼看到。
用128KB的文件塊在HDD和SSD之間移動數(shù)據(jù)，蘋果可以在寫入SSD的時候進行部分碎片整理。盡管Fusion Drive 的所有寫入首選目的地都是SSD(可以包括小于128KB的文件塊，隨機和偽隨機寫入)，任何從HDD到SSD的遷移卻都是大塊順序?qū)懭氲?，如果?qū)動器中有大量碎片，這就會觸發(fā)垃圾塊回收過程。SSD的性能肯定會隨著時間的推移降低，但是這個過程有助于保持它的性能，因為SSD幾乎一直都是在充滿的狀況下運行的，而且它會接收各種不相關(guān)的寫入。我前面提到過，我希望蘋果把更多的PM830 NAND空間預(yù)留為備用區(qū)。我懷疑蘋果沒有預(yù)留更大的備用區(qū)是出于成本方面的考慮。
應(yīng)用體驗
在現(xiàn)實使用中，F(xiàn)usion Drive能給我們帶來怎樣的體驗?zāi)?簡單說來，它的效果出乎意料的好。我之前使用過的SSD緩存方案全部都更像是HDD而不是SSD，不過蘋果公司的Fusion Drive體驗則是幾乎處于HDD和SSD的正中間。
它在安裝幾乎所有程序時，都是先用SSD，因此Fusion Drive感覺真的像SSD。不僅是在安裝應(yīng)用程序的時候，復(fù)制任何東西時，一般也是先去SSD。似乎到了4GB之后，它才開始用HDD。不過稍加努力，你可以讓Fusion Drive僅在1 到 2GB之后就開始寫入到HDD。我用Iometer創(chuàng)建了一個順序測試文件，監(jiān)測Fusion Drive什么時候停止將文件寫入到SSD，在這時停止這個進程，重新命名這個文件，并再次開始創(chuàng)建文件。結(jié)果如下圖：
可以看到，如果你的速度夠快，你可以在低于2GB的時候就讓HDD接管寫操作。我不知道這是不是SSD上的可用空間量，但很有可能就是這樣，因為顯示121GB的SSD又不充分使用它實在說不通。
在大多數(shù)時候，當你不那么積極地寫入SSD時，F(xiàn)usion Drive可以保持至少4GB的SSD可用空間。需要注意的是：當你第一次使用它時，F(xiàn)usion Drive大部分都是空的，你寫入的幾乎任何東西，無論大小，都會直接進入SSD。然而，當容量承受一定壓力時，蘋果就會改變方法：讓任何文件最多寫入4GB到SSD，其余部分則放到HDD上。
通過安裝蘋果的OS X開發(fā)者工具以及Xcode本身，我證實了這一點。后者接近于4GB大，但默認狀況下，它的很大部分都到了SSD上。
應(yīng)用程序生成的數(shù)據(jù)也是如此。我用Xcode創(chuàng)建Adium，一個682MB的項目，整個編譯過程都發(fā)生在SSD ——機械硬盤一直都沒有活動。我試圖創(chuàng)建一個更大的項目，近2GB的Firefox。這時出現(xiàn)了短暫的HDD活動，但絕大多數(shù)活動都是在SSD上。
我復(fù)制了一個很大的視頻文件(>10GB)到這臺iMac上，現(xiàn)在我把它復(fù)制到一個新的位置上，并密切注意Fusion Drive的動向。最初的2GB是從SSD傳輸?shù)絊SD，接下來的2GB是從HDD讀取，寫入SSD。大約4GB被復(fù)制之后，源驅(qū)動器和目標驅(qū)動器都變成了HDD。在我看來，正確的做法應(yīng)該是默認情況下把所有的大文件都放入HDD ，除非它們被頻繁訪問。蘋果的做法似乎是一個合理的妥協(xié)，但它把文件塊放入SSD的方式比我以為的更加積極。
我重復(fù)了這個測試，用另一個我從來沒有訪問過的視頻文件，得到的結(jié)果完全不同。整個文件都存在HDD 上。我又重復(fù)一次這個測試，用我訪問了好幾次的iPhoto圖庫，令我驚訝的是，這個iPhoto圖庫的大部分都在HDD上，但也有一些少許讀取來自SSD。但在這兩種情況下，復(fù)制的目標驅(qū)動器當然都是SSD。
我Anandtech文件夾的大小超過32GB，含有文字、照片、演示文稿、基準測試結(jié)果，以及我做過的幾乎所有評測。雖然這個文件夾非常重要，但它其中大部分都沒有經(jīng)常被訪問。我在復(fù)制這個文件夾時，發(fā)現(xiàn)幾乎全在HDD上。38GB的“我的文檔”文件夾也是如此，這個文件夾中的大部分也是未讀過的。
另一方面，應(yīng)用程序幾乎總是放在SSD上。
之前我經(jīng)常手動把操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序放在SSD，大的媒體文件放在HDD上，F(xiàn)usion Drive把這個過程自動化了，而且效果還相當不錯。我手動整理資料和Fusion Drive自動化之間唯一的區(qū)別就是，我把“我的文檔”和Anandtech文件夾默認放在SSD。這樣做不只存在性能方面的考慮，也是為了可靠性，因為硬盤比SSD更容易出毛病。
Fusion Drive的性能
對Fusion Drive進行基準測試有點困難，因為它總是寫入到SSD。如果你不把Fusion Drive填滿，你寫入的大量數(shù)據(jù)可能全部會到SSD上。如果你確實填滿了它，但測試的數(shù)據(jù)集<4GB，那你測量的仍然是SSD性能。
我想出了一個相對簡單的用例，可以涵蓋兩個驅(qū)動器?，F(xiàn)在我的Fusion Drive已經(jīng)填充了70%，這意味著SSD的容量快要到頂了(除了其4GB的緩沖)。我把含有703張照片的iPhoto圖庫導(dǎo)出為TIFF格式的照片。生成的文件相當大，當達到297張照片時，4GB的SSD寫入緩沖區(qū)已經(jīng)滿了，所有后續(xù)導(dǎo)出的照片都到了HDD 。我給這個過程計時，然后把它跟iMac上的一個HDD分區(qū)做對比，也跟通過USB 3.0連接的一個三星PM830 SSD對比。結(jié)果有點偏向于純HDD 配置，因為這個寫操作基本上是順序的：
上圖準確地總結(jié)了我的Fusion Drive 體驗：它差不多處于HDD 和SSD的正中間。在這個測試中，速度提升不是很大，但這主要是因為我們使用了相對低的隊列深度順序傳輸。對于比較隨機的工作負載，F(xiàn)usion Drive和HDD差距將拉大。可惜的是，我無法找到好的應(yīng)用程序用例來生成4GB +的偽隨機數(shù)據(jù)，使其可重復(fù)性高到可以進行基準比較的程度。
如果我一直對Fusion Drive進行非常大的順序?qū)懖僮?一個文件就高達260GB)，最后它會傻掉，不再遷移數(shù)據(jù)到SSD了，除非你重新啟動機器。我懷疑這個bug不是由正常的自動測試觸發(fā)的，但它確實提供了一個有趣的狀況，我可以利用它來開展測試。
啟動我頻繁使用的iMac預(yù)裝應(yīng)用程序，它們?nèi)栽赟SD上，但一些后來安裝的程序卻不是這樣。特別是Photoshop CS6，它部分在SSD上，部分在HDD上。對于工作負載太大，SSD無法單獨處理時的Fusion Drive 偽隨機讀取性能，這是一個很好的基準測試。我測試Photoshop在Fusion Drive上的啟動時間，跟在純HDD 分區(qū)上，以及通過USB 3.0連接的PM830上的情況相比較。比較結(jié)果再次反映了我的體驗：
相對于純HDD ，F(xiàn)usion Drive有明顯的改善，啟動時間快了40%。然而，純SSD也快了一半以上。請注意，如果Photoshop是最常用的應(yīng)用程序之一，它會被完全移動到SSD上。性能跟在純SSD上差不多。測試中沒有出現(xiàn)這樣的狀況，是因為我的1.1TB Fusion Drive 驅(qū)動差不多充滿了80%。
Fusion Drive的實際限制
蘋果Fusion Drive 在寫入SSD是非常積極的，但你的數(shù)據(jù)越多，它的算法似乎就變得越保守。這倒并不是很讓人震驚，但需要指出的是，在驅(qū)動器總使用量較低時，我需要做的幾乎一切都是使用的SSD，但當應(yīng)用程序的需要超過了Fusion Drive 可以輕松應(yīng)付的范圍時，這個平臺對于“什么東西可以被移動到SSD”就變得更加挑剔。要記住的是，如果128GB的存儲空間不夠存儲你所有的常用應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)和操作系統(tǒng)，你的Fusion Drive體驗就更像是HDD了。為了模擬和證明這一點，我把我200GB +的MacBook Pro映像移動到了iMac上。請注意，這200GB中的大部分是我經(jīng)常使用的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。
測試到最后，我覺得我需要更多的SSD。 Spotlight搜索花費的時間比純SSD多，并非所有的應(yīng)用程序都是瞬間啟動的，將照片從Safari添加到iPhoto需要的時間也長一點兒…… Fusion Drive 可能是很好，但它不是魔法。如果你確實需要超過128GB以上的SSD，F(xiàn)usion Drive可能并不適合你。
結(jié)束語
蘋果Fusion Drive可能是我用過的最好的SSD / HDD混合解決方案。這不是前沿科學(xué)，它所做的就是把一個很好的SSD(三星PM830)，大量的NAND(128GB)和一些非常積極、聰明的軟件(蘋果公司的 Core Storage LVM)結(jié)合起來。 Fusion Drive 可能算不上具有革新性，但它的方法肯定是正確的。
如果你沒有大量應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)，媒體文件也不太大，那么對于你來說，F(xiàn)usion Drive 驅(qū)動器應(yīng)該是一個合理的SSD加HDD 配置，媒體大文件放到HDD，所有經(jīng)常使用的東西都在SSD上。我雖然很想要更大的緩存，但我相信，對于如今的大多數(shù)工作負載和使用模式來說，128GB也已經(jīng)夠好了。對我個人來說，F(xiàn)usion Drive可能需要有256GB緩存才能贏得我的心，但我也明白，我不一定就是它的目標受眾。
真正的問題是：它是否物有所值。我個人當然希望全部都用SSD，手動把媒體大文件放到HDD 陣列上。Fusion Drive沒有做任何事情來減小“HDD 可能會早于SSD出毛病”的可能性，如果使用內(nèi)置的SSD和(通過Thunderbolt或USB 3.0)連接的HDD RAID陣列，你將會掌握更大的靈活性。可惜的是，蘋果并不總是提供純SSD版本的iMac。
蘋果的iMac限制了你的選擇。對于21.5英寸機型，你既可以購買純HDD 版本，也可以購買 Fusion Drive版本 ，但是沒有純SSD版本。我覺得你當然應(yīng)該選Fusion Drive版本。如果你不打算自己購買SSD來更換它內(nèi)置的HDD ，F(xiàn)usion Drive絕對是一個正確選擇。
對于27英寸的iMac來說，蘋果提供了一個純SSD版本，但它的容量只有768GB，升級價格1300美元。突然之間，250美元的 Fusion Drive 升級聽起來就合理多了。
下圖中黑體部分，是我推薦的選配方案。請注意，前提是你不打算自己DIY(如果你決定DIY，那就買你能找到的最大SSD，用外部大容量存儲器來放那些不常用的東西)：
當NAND變得夠便宜夠大的時候，iMac會徹底拋棄HDD嗎?或者我們電腦上最終會有足夠多的NAND，可以存儲除了大型媒體文件以外的一切東西嗎?在一年之內(nèi)，蘋果可以把Fusion Drive中的NAND翻一番，而成本保持不變。如果看得更遠一些，在后NAND時代，存儲層次(memory hierarchy)可能會出現(xiàn)一些真正具有革命性的東西。
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