SSD硬盤為什么成主要存儲技術(shù) 主要是這6個原因

第一批基于閃存的固態(tài)(SSD)硬盤在12年前就已經(jīng)出現(xiàn)，但直到現(xiàn)在，該技術(shù)才有望取代數(shù)據(jù)中心的機械(HDD)硬盤，至少在主存儲領(lǐng)域是如此。為什么需要這么長時間?畢竟，采用隨機I/O的閃存驅(qū)動器比HDD硬盤的速度要快1000倍。

其部分原因是忽略了系統(tǒng)，而只是將其重點放在存儲元件和CPU上。這導(dǎo)致業(yè)界專注于其每TB的成本，而真正的焦點應(yīng)該是采用或沒有采用閃存的解決方案的總成本的比較。簡而言之，大多數(shù)系統(tǒng)都是I/O綁定的，使用閃存不可避免地意味著在相同的工作負載下需要更少的系統(tǒng)。這通常抵消了成本差異。

存儲行業(yè)的轉(zhuǎn)折點來自全閃存陣列：簡單的插入式設(shè)備，可立即顯著提升存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)的性能。這已經(jīng)演變成一種雙層存儲模式，其中SSD硬盤作為主要存儲層，而速度較慢但成本更低的HDD硬盤作為次要存儲層。

將新的閃存模型應(yīng)用于服務(wù)器可以提供更高的服務(wù)器性能，就像SSD硬盤的價格低于企業(yè)硬盤價格一樣。憑借良好的經(jīng)濟性和更好的性能，SSD硬盤現(xiàn)在成為主存儲層的首選。

如今人們看到NVMe(高速非易失性內(nèi)存)技術(shù)的興起，其旨在取代串行連接SCSI(SAS)和串行高級技術(shù)附件(SATA)作為主要存儲接口。 NVMe是一個非?？焖?、低開銷的協(xié)議，可以處理數(shù)百萬IOPS，遠遠超過其前身。在去年，NVMe的定價接近SAS驅(qū)動器價格，使其解決方案更具吸引力。而在今年，人們將看到大多數(shù)支持NVMe端口的服務(wù)器主板，可能是支持SATA驅(qū)動器的SATA-Express。

NVMe是服務(wù)器的內(nèi)部組件，但是新的NVMe over Fabrics(NVMe-oF)方法將NVMe協(xié)議從服務(wù)器擴展到NVMe驅(qū)動器陣列，以及全閃存和其他存儲設(shè)備，并補充了新的超融合基礎(chǔ)設(shè)施(HCI)模型用于集群設(shè)計。

不過，這些發(fā)展并沒有結(jié)束。存儲產(chǎn)品供應(yīng)商承諾2018年將生產(chǎn)32TB和64TB容量的SSD硬盤。這比目前容量最大的16TB的HDD硬盤要大得多，并且HDD硬盤在熱輔助磁記錄技術(shù)解決之前將一直處于困境。

然而，殘酷的現(xiàn)實是SSD硬盤實現(xiàn)了HDD硬盤驅(qū)動器無法實現(xiàn)的外形尺寸。大型HDD硬盤尺寸為3.5英寸。而如今已經(jīng)有2.5英寸尺寸的32TB固態(tài)硬盤以及M2.0和“ruler”(細長的M2.0)等新外形尺寸的SSD硬盤，這將為小型設(shè)備提供大量存儲容量。英特爾公司和三星公司在1U大小的設(shè)備中可以實現(xiàn)PB級存儲容量。

二級存儲市場發(fā)展緩慢且價格低廉，這阻礙了SSD硬盤在二級存儲市場的廣泛應(yīng)用。3D NAND和新型Quad-Level Cell(QLC)閃存器件的興起將在很大程度上縮小價格差距，而每個驅(qū)動器的巨大容量將通過減少設(shè)備數(shù)量來彌補剩余的價格差距。

SSD硬盤在二級市場中有一個秘密武器：由于整個存儲結(jié)構(gòu)中有額外的帶寬，使其重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和壓縮變得可行，可以有效地將容量擴展5倍到10倍。這降低了以每千兆字節(jié)的價格計算QLC-Flash解決方案的成本，其成本低于HDD硬盤。

最終，也許在短短三到四年內(nèi)，閃存和SSD硬盤將成為數(shù)據(jù)中心的主要存儲產(chǎn)品，除了保守和頑固的用戶之外，所有的HDD硬盤都會被淘汰。以下將深入探討SSD硬盤將如何主導(dǎo)數(shù)據(jù)中心存儲的情況。

(1)系統(tǒng)性能

在推出x86架構(gòu)后的37年中，CPU發(fā)展速度一直遵循摩爾定律，每隔幾年翻一番。而在此期間內(nèi)，HDD硬盤的隨機存取的速度只提高了3倍。存儲陣列帶來了跨數(shù)據(jù)條帶的一些并行訪問，但無法提高CPU的性能。

隨之而來的是SSD硬盤，其中單個驅(qū)動器的速度甚至比大型HDD存儲陣列還要快。這導(dǎo)致人們重新思考存儲系統(tǒng)，其得出的結(jié)論是減輕I/O需求，這意味著人們需要更少的服務(wù)器來處理相同的工作負載。例如，NVMe SSD速度如此之快，以至于它們可以支持運行速度比傳統(tǒng)HDD硬盤系統(tǒng)快100倍的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。

人們已經(jīng)看到了這種新觀點的結(jié)果。傳統(tǒng)的存儲陣列銷售正在下降，而廠商正在用SSD硬盤替換服務(wù)器中使用的企業(yè)級SAS驅(qū)動器。公平地說，快速HDD硬盤是一個即將消亡的品種。

(2)閃存芯片的定價

3D NAND的應(yīng)用并不順利，這導(dǎo)致了其價格下滑。由于其生產(chǎn)問題已經(jīng)解決，3D NAND是一項堅實的技術(shù)。其價格再次開始下滑，但與HDD硬盤的價格差距仍然大致為三比一。

這一差距為HDD硬盤制造商提供了一些解決方案，但存儲分層也會影響整個集群的總體擁有成本，因此即使在大容量存儲中，也會考慮采用SSD硬盤。

2018年，將會有更多新的閃存代工廠正在投產(chǎn)。結(jié)合向3D NAND、芯片堆疊和QLC技術(shù)的發(fā)展，他們將生產(chǎn)新一代大容量的主要讀取存儲器，它將取代二級存儲空間，成為比任何HDD硬盤解決方案成本更低和更緊湊的選擇。同樣，對于任何給定容量，將需要更少的存儲設(shè)備。

(3)存儲分層

隨著存儲模式從大量的并行HDD硬盤向快速SSD硬盤演進，快速主存儲和緩存二級存儲之間的分層存儲概念已經(jīng)啟動。HDD硬盤可以滿足慢速大容量存儲的需求，但SSD硬盤容量的快速增長以及3D NAND和QLC單元等低成本閃存的出現(xiàn)，標志著向基于閃存的二級存儲的轉(zhuǎn)變。

此外，添加的壓縮和重復(fù)數(shù)據(jù)刪除功能，都有助于提高SSD硬盤的帶寬，并且在大多數(shù)使用情況下，二級存儲的有效容量可擴展5倍至10倍。重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和壓縮用于快速主存儲，以節(jié)省二級網(wǎng)絡(luò)存儲的傳輸成本和帶寬，從而大幅節(jié)省二級存儲的采購成本。

(4)新的存儲軟件

SSD硬盤具有性能優(yōu)勢，現(xiàn)在人們看到創(chuàng)業(yè)公司對“挖掘”次級數(shù)據(jù)層有創(chuàng)造性的想法。這是軟件定義存儲方法的一個例子，它將吸引人們將數(shù)據(jù)服務(wù)鏈接在一起以實現(xiàn)結(jié)果。在數(shù)據(jù)處理通過鏈處理時，SSD硬盤的低訪問延遲變得重要。

對象存儲正在向SDS模型發(fā)展，人們已經(jīng)可以在目前使用SSD的對象存儲中看到其出色的性能。專家預(yù)測文件和塊I/O將迅速成為訪問底層對象存儲的協(xié)議，實現(xiàn)統(tǒng)一和更簡單的存儲模型。

(5)以太網(wǎng)NVMe

隨著SSD硬盤性能的快速提升，集群結(jié)構(gòu)的帶寬也隨之增加。在2010年，1千兆位以太網(wǎng)被認為很熱門。而如今，400GbE骨干網(wǎng)正在推向市場。更重要的是，遠程直接數(shù)據(jù)存取(RDMA)支持現(xiàn)在很常見。RDMA釋放大量CPU時間移動數(shù)據(jù)。

由于更高效的協(xié)議NVMe取代了它，SCSI協(xié)議正在結(jié)束其30年來的存儲優(yōu)勢。使用該協(xié)議的SSD硬盤可實現(xiàn)數(shù)百萬IOPS，從而實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析以及其他應(yīng)用程序。

人們現(xiàn)在看到量身定制NVMe在以太網(wǎng)上運行。這將使SSD硬盤能夠直接連接到集群結(jié)構(gòu)，為超融合基礎(chǔ)設(shè)施增加了新的速度和連接性。

(6)新的形式因素

與HDD硬盤不同，SSD硬盤不受HDD硬盤尺寸的限制。目前已有32TB 2.5英寸固態(tài)硬盤，2018年供應(yīng)商將推出相同外形尺寸的64TBSSD硬盤。直到2019-2020年HAMR技術(shù)產(chǎn)品推出為止，HDD硬盤驅(qū)動器一直處于領(lǐng)先地位。即使如此，大容量硬盤的尺寸一直是3.5英寸，沒有任何突破。

這意味著使用SSD硬盤的服務(wù)器和設(shè)備可以在相同尺寸下獲得更多容量。例如，2U服務(wù)器如今可以安裝24個SSD硬盤(768TB)，相比之下，同樣的服務(wù)器只能安裝12個HDD硬盤，容量大約180TB。

此外， M2.0固態(tài)硬盤的尺寸更加緊湊，因此產(chǎn)生了具有32TB原始容量的“ruler”硬盤的新設(shè)備。如果人們將其與傳統(tǒng)陣列或當今基于服務(wù)器的節(jié)點進行比較，就可以看到節(jié)省了大量設(shè)備成本和空間。如果添加重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和壓縮功能，1U存儲設(shè)備的容量甚至可能達到5PB。