解读固态硬盘的“4K性能”

  在谈到固态硬盘性能的时候,大家都会想到非常重要的“4K性能”,即4K随机读写IOPS。作为系统盘使用时,固态硬盘执行的读写操作中,4K随机读写占据了相当大的份额。

  “4K性能”受哪些因素影响呢?闪存没有机械活动部件,随机读写的效能比机械硬盘高出许多,但依然会受一些因素的制约,譬如闪存读写延迟、LUT(Look up table)效率。闪存的读写延迟基本是固定的,而LUT效率就成了影响固态硬盘“4K性能”的主要因素。

  LUT填补了闪存与针对传统机械硬盘设计的文件系统之间鸿沟,解决闪存不能覆盖写入、擦写次数存在限制等问题。LUT可以被当成是一张逻辑地址(文件系统)与物理地址(闪存单元)之间对应关系的查找表。

  根据LUT表的存储位置,固态硬盘可以分为有外置缓存和无外置缓存(DRAM-less)两种类型,后者因为省去了固态硬盘当中的DRAM芯片,在性价比上拥有更好的表现。但省去DRAM缓存理论上会对“4K性能”产生一些不利影响。下图是东芝TR200固态硬盘,采用当前主流的DRAM-less无外置缓存方案。

  DRAM-less方案也有LUT表,存储在主控内集成的高速、小容量SRAM缓存当中。两种方案的工作模式类似于字典中拼音和部首两种检字法。

  拼音检字表:有DRAM缓存,大脑中对字的读音已经了解,可以快速查到这个字的释义所在页码。

  部首检字表:无DRAM缓存,需要先找到部首,然后根据比划数量最终找到页码,等于查了两次表,完整的Look up table需从NAND闪存上读出。

  当然事无绝对,东芝TR200主控内置了高达32MB容量的高速SRAM缓存,按照1MB:1GB的标准LUT容量,能够覆盖32GB容量的闪存空间,相当于常用数据无需二次查表,LUT效率提升的结果就是“4K性能”的大幅改善。由于SRAM比外置DRAM缓存速度更快,东芝TR200的4K单线程读取速度达到了52MB/s以上。

  PCMark 7和PCMark 8存储测试成绩也表明TR200具备不俗的性能,说明只要主控硬件和固件设计得当,无外置缓存(DRAM-less)并不会给固态硬盘实用性能造成影响。

  在RC100和BG3/4固态硬盘中,东芝还充分利用了NVMe协议中的Host Memory Buffer主机内存缓冲特性,通过借用主机内存中的一小段专用空间存储LUT表,实现了更高性价比的设计目标。

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