固态存储企业级应用的现状和趋势

   固态存储并不是一个新鲜和前沿的技术，早在存储技术发展之初，固态存储就作为存储领域的一个分支技术方向，默默无闻的向前发展延伸。经过多年的研究和进步，在传统磁盘存储性能停滞不前的今天，固态存储却犹如一朵奇葩，在越来越多的应用领域静悄悄的盛开。如今，Google、百度和阿里巴巴都已经宣布采用固态存储技术来应对日益增长的访问量压力。
　
　　实际上，固态存储产品（Solid StateDisk）的发展已经有近30年的历史，在个人存储领域已经有相当成熟的应用和产品，但是，EMC将支持SSD的能力加入其高端Symmetrix和中端Clariion产品线则是一个明确的信号：固态存储企业级应用领域正在不断的开疆扩土。
　
　　除了EMC，还有多家厂商都宣布了自己有关SSD方面的战略计划，与此同时，固态存储也遭遇价格与安全性的双重尴尬，固态存储在企业级应用领域的发展趋势究竟如何？固态存储的普及之路究竟还存在哪些障碍呢？我们带着一系列的疑问，来探究固态存储在企业级应用领域的现状和分析。
　
　　本文将分为上下两篇来探讨这个问题，上篇侧重对固态存储的技术优劣势分析并探讨在企业级领域额应用模式，下篇将侧重各大厂商不同的固态存储策略分析。
　
　　什么是固态存储
　
　　固态存储是基于硅芯片的存储设备，它能显著地加速/提高位于传统的磁介质存储系统中任何应用的性能。由于它并不使用旋转媒介，所以搜索数据非常迅速。而且因为不会出现普通硬盘的磁头损坏的情况。
　
　　固态硬盘是由控制单元和存储单元（FLASH芯片或者DRAM）组成，固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致，包括3.5"，2.5"，1.8"多种类型。简单的说就是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘。
　

　　固态硬盘的优势总结起来可以列为如下几点：
　
　　一、性能好，I/O快（尤其是小数据块环境下的随机读性能）；
　
　　二、节能效果好，由于没有旋转磁头与盘体间的旋转摩擦，因此固态硬盘发热量小，散热速度快，其能耗仅是传统硬盘的1/5；
　
　　三、防震抗摔。因为全部采用了闪存芯片，所以SSD固态存储器内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用；
　
　　四、无工作噪音产生。得益于无机械部件及闪存芯片发热量小、散热快等特点，SSD固态存储器因为没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。
　
　　五、重量轻，更适于移动携带。

 

　DRAM固态硬盘的优劣势
　
　　近年来，服务器经历了多核化、虚拟化、刀片化的巨大技术变革，计算能力有了突飞猛进的提升，随之也给周边的设备带来了巨大的I/O压力。在金融、电信等行业的一些关键业务应用领域，传统的磁盘系统日益无法满足巨大的IOPS需求。固态硬盘由于采用电子器件作为存储介质，内部没有机械结构，因此没有数据查找时间、延迟时间和寻道时间。众所周知，硬盘的机械特性严重限制了数据读取、写入的速度及性能。
　
　　固态存储的介质一般分为两种，flash与DRAM，目前来说以基于flash的固态硬盘发展更快，更得到主流厂商的青睐。其原因是因为基于DRAM的固态硬盘有一项致命的缺陷：需要电源保护来保存数据。换句话说，一旦基于DRAM的固态硬盘掉电，所有保存的数据将全部丢失。
　
　　基于固态存储极高的数据吞吐效能和昂贵的价格，大多数的用户都会将固态存储应用于存储数据库中的那些最经常被访问的数据（例如：重做日志，临时性的数据库片段），甚或整个数据库。担当如此重要的关键任务，这个安全缺陷必须补上。
　
　　支持DRAM的固态存储厂商设计了UPS供电的电源保护模式来确保数据不会丢失。在UPS电源供电上的分为内置电源和外置UPS两种，内置电源一般能够保证2-6小时的供电，它类似我们常用RAID卡的上电池比较相似，考虑到电池的遇热的危险性，一般用内置的电源比较少，相对内置电源，外置UPS在容量上和供电时间上，都远远高于内部电源，一般保证在8个小时以上。

 

　Flash固态硬盘的优劣势
　
　　相对于DRAM，Flash由于保存数据不用电力支持，所以对于USB thumb这样的设备、相机、手机而言，还是相当有吸引力的。也正是因为消费电子市场的需求驱动，众多的厂商被吸引到了这部分市场，大量的金钱被投入到了 NAND flash的研发。结果就是NAND flash技术迅速发展并日渐成熟，拥有了越来越大的容量、越来越好的I/O能力，而且价格不断走低。
　
　　2004年到2006年，多数NAND flash还是2Gbit 或4Gbit的 multi-level cells （MLCs），而更低容量的single-level cell （SLC） NAND flash则被用于企业领域，当时还是90纳米制程，最大支持每cell 2bits.今天50nm制程的16Gbit的 MLC flash支持3bits和4bits每cell，这样的配置已经很常见了。
　
　　那么flash的技术是否已经足够完美，可以与传统磁盘存储技术相竞争抗衡了呢？其实Flash技术同样有着先天的瓶颈和制约，受到控制器技术的限制，基于Flash的固态硬盘的写入寿命相对而言是非常有限的。
　
　　基于Flash的固态硬盘单位空间内的写入寿命通常都有一定的限制，一般来说，企业会通过类似于磁盘存储技术中的“热点均衡”技术来均衡写入负载，避免在固态硬盘内部造成频繁写入的“热点”，但固态硬盘的另外一个特质使得这个缺陷变得更加不可接受：由于固态硬盘那的存储介质是电子器件，因此如果某一个单位的存储空间发生器质性故障，整个硬盘都无法继续工作，而传统磁盘是却能够屏蔽掉坏掉的磁道并继续保持工作状态。
　
　　目前而言，厂商普遍通过RAID数据冗余保护机制来保护硬盘数据。此外，内存本身的ECC校验功能也能很好的弥补这一缺陷。因此一些企业级SSD厂商提供的固态硬盘产品同样提供了2-3年的质量保证。
　
　　Flash在个人存储以及嵌入式存储领域的应用如此广泛，众多的厂商都成为该项技术的拥护者，其中不乏一些市场规模、推动力都属一线的IT厂商，包括Intel在内，EMC、SUN、三星等多家厂商都推出了采用Flash技术的产品。在这些大厂商的推动下，Flash的价格下降的相当迅速，目前存在的技术缺陷，也有望在不久的将来能够迅速得到改进和完善。
　
　　目前为止，Flash的价格仍然是相同FC磁盘的20倍，但价格下降趋势使得固态存储能够被更多的企业用户所接受，也使得我们看到了固态存储在未来呈普及趋势的光明。Enterprise Strategy Group （ESG）企业策略集团的分析师Mark Peters认为“未来3~5年，固态硬盘将会变成商业存储的标准。”

 

固态存储的企业级应用模式
　
　　无论是服务器还是存储领域，固态存储在企业级领域的典型应用模式可以分为三种。
　
　　第一种模式是简单的用固态硬盘去替换掉传统硬盘，来获得固态硬盘在I/O密集型应用中的良好表现；例如google、百度主要利用固态硬盘来保存搜索引擎的索引数据库，这部分索引数据库在庞大的访问量压力下，要求非常高的IOPS，但写入的需求却较少，突出了固态存储高I/O方面的性能优势，并有效规避了重复写入的风险。
　
　　此外，在磁盘阵列中，也可用固态硬盘替代部分的传统硬盘，整个系统中不同性能成本的磁盘构建了一个“分层存储” 的架构体系，固态存储则承担了位于整个数据金字塔尖端的“0级存储”的任务。例如EMC最近推出的高端Symantrix系列和中端CLARiiON系列，都采用固态存储构建整个分层存储的最高级。
　
　　在整个“分层存储”的架构中。关键应用，例如事务处理和数据库系统，现在是固态存储最常用的地方，目前，Exchange Server 和SQL database就经常部署在固态存储之上。随着固态存储被越来越多的使用，数据在固态存储层级和其他层级之间的自动迁移的能力变得很重要。
　
　　尽管现有的层级存储管理软件和信息生命周期解决方案，都支持数据在不同层级之间的自动迁移，例如IBM宣称他们的TotalStorage Productivity Manager将可以管理0层级存储，EMC Symmetrix的Management Console（管理控制台）也支持数据在包括0层级的不同层级之间的迁移。但是仍旧只有20%的企业级客户采用自动迁移。大部分的公司还是采用手动来迁移0层级存储和其他层级之间的数据。
　
　　另外一种较为典型的应用，则是让固态存储通过PCI-E接口与主板联接，作为整个系统的缓存扩充，SUN、浪潮还有一些厂商都是这类应用模式的拥护者。采用这种模式的挑战主要在于：由于固态存储目前通常都采用了通用的硬盘接口，当需要固态存储作为缓存工作的时候，系统往往无法识别这些固态存储介质。因此如何让操作系统、或者应用程序能够识别这些固态存储介质作为缓存进行工作，是这种应用模式下的进行系统优化的关键。例如，SUN公司管理软件ZFS即可支持将主内存与SSD相结合，获取更大容量的高速缓存空间。

 

　小结：固态存储将与传统磁盘并存
　
　　尽管固态硬盘还面临着价格高昂和写入寿命有限两方面的尴尬，但其高吞吐量、低功耗等优点让众多厂商青睐有加，越来越多的厂商挟带着大量的资本进入这一市场。
　
　　目前，已经有很多家公司提供固态磁盘存储系统（SSD），例如Texas Memory在固态存储领域就已经有15年的历史。SUN公司构建了ZFS系统，能够让运行在SSD存储系统上的操作平台更有效率；EMC最新推出的中端存储系统CLARiiON CX4和高端系统Symantrix上都提供了固态存储的支持。
　
　　此外，IBM也公布了自己在固态硬盘方面的计划和进展，IBM宣布了一个代码代号为“Project Quicksilver”的研究项目，旨在调整SSD的性能，根据前不久IBM公布的性能测试结果，IBM的固态存储产品可实现每秒钟超过100万次的持续输入/输出（I/O）——且响应时间不到1毫秒（ms）。与业界基准测试速度最快的磁盘系统（1）相比，Quicksilver将性能提升了2.5倍，响应时间不足前者的1/20，占地空间只有前者的1/5，所需电力和制冷能耗也只有前者的55%……此外，IBM BladeCenter刀片服务器产品也宣称支持固态存储技术。
　
　　固态存储技术是否会完全取代传统磁盘技术？我们现在下一个简单的结论还为时过早，无论说“固态存储时代即将到来”，还是说“固态存储还没有做好企业级应用的准备”，这些结论看起来都过于单一和绝对。事实上，最有可能的情况是，在相当长一段时间内，固态磁盘将和传统磁盘同时并存。固态磁盘将被应用于高端的关键事务处理应用中，传统磁盘则用于保存大量的不会被频繁读写的数据。这样，无论是传统磁盘还是固态硬盘，都能以合理的性价比发挥最佳的性能。