▲溫切斯特硬盤結構包括盤片、機械馬達、機械臂，機械馬達帶動盤片高速旋轉，與此同時，機械臂驅動磁頭運動到相應的數據存取區域讀取數據。由于數據庫的IO特征是短時間內產生大量的離散IO，磁頭需要頻繁的尋址與換道來讀取數據，傳統的磁盤在大量離散IO情況下往往捉襟見肘

關鍵業務數據庫的讀寫IO通常由4-8KB大小的數據塊構成，這些數據塊一般被隨機訪問。正是因為每個數據塊大小都極其微小，而數據庫讀寫模式又是隨機讀取，因而磁頭需要頻繁的尋址和換道來讀取數據，實際上，關鍵業務數據庫的應用性能很大程度上取決于磁盤IO讀寫延時。在某些運行速度較慢的數據庫應用中，CPU甚至需要長時間等待磁盤I/O操作的完成。

數據庫應用對磁盤IO能力的需求本身已經很苛刻，而不斷增加的磁盤容量又給這個局面雪上加霜。長期以來，制造工藝的進步不斷推動磁盤容量飛速擴張，然而磁盤I/O能力的增加卻相對緩慢，跟不上磁盤容量的急劇增加。這樣造成的問題就是，同樣的數據庫的應用容量，以往可能需要多塊磁盤來滿足存儲需求，現在則通常傾向擁有更少的磁盤，使得原本就捉襟見肘的磁盤IO更加力不從心。

根據英特爾估測數據：2009年服務器數據負荷中，超過50%的情況是受制于輸入/輸出(IO)性能，為了獲得整體性能的同步提升，存儲硬件已經成為數據中心的最大單項資本投入。

不同場景下的SSD應用性能

面對數據庫的高并發、高IOPS的存儲需求，固態硬盤(SSD)給出了完美的解決方案。盡管如此，采用不同工藝制程的SSD提供了不同等級的性能，我們針對不同技術的固態硬盤(如基于Flash、基于DRAM的固態硬盤)，以及傳統硬盤應用標準工具進行性能評測，結果如下表：

▲圖：傳統HDD在不同數據塊大小下的性能表現

▲圖：Flash SSD在不同數據塊大小下的性能表現

▲圖：DRAM SSD在不同數據塊大小下的性能表現

經過一組測試數據的分析，我們認為DRAM SSD是當之無愧的性能冠軍，在任何數據塊大小的測試環境下，DRAM SSD都保持了良好的性能表現。不過硬幣的另一面則是，DRAM的成本也極其昂貴，目前看來很難獲得普遍性應用。

基于Flash的SSD則較好的實現了性能和成本的平衡，我們看到，在4K到8K數據塊大小下，Flash SSD性能相比HDD提升顯著。這是因為SSD消除了傳統HDD內部磁頭尋道的機械運動時間所致。

HDD的各項測試指標毫不意外的居于最后，我們甚至可以計算一下這個成績的由來——磁盤平均尋道時間與旋轉延遲的和大概可被估算為5~10毫秒，由此造成了傳統磁盤與固態硬盤之間顯著的性能差異。不過當數據塊大小增大的時候，傳統磁盤的讀寫速度也有所提升，當數據塊大小為128KB的時候，提升效果甚至十分明顯。遺憾的是，關鍵業務數據庫通常的數據塊大小是圖上紅色標注出來的4~8KB。

數據中心中SSD的應用場景

上圖顯示了SSD在小數據塊離散讀寫的情況下獲得的顯著性能提升，英特爾則為我們總結了在數據中心中，通過SSD獲得性能提升的場景還有多種情況。

▲數據中心SSD的應用場景

無論在SAN存儲網絡還是CAS歸檔存儲，無論是服務器端還是網絡端，都存在應用SSD發揮強大性能優勢的舞臺。例如，上圖顯示了應用SSD作為系統啟動盤的情況下，由于系統的啟動過程往往也涉及到大量小文件小IO讀寫，應用SSD同樣能夠顯著提高系統的啟動速度，這一點相信在筆記本中應用SSD的個人消費級用戶已經早有體會。

DRAM SSD盡管成本高昂，但在一些對性能要求極為苛刻的環境下，應用DRAM作為緩存，同樣對提高系統整體性能有著“四兩撥千鈞”的功效。有經驗的系統維護人員在數據庫日常使用中會發現，之所以數據庫運行性能狀況不佳，往往是因為系統中存在一小部分熱點數據塊被頻繁使用，磁盤的機械磁頭頻繁的來回讀寫這部分熱區數據，給整個系統拖了后腿。

如果將這部分I/O請求最多、最熱的數據塊存儲到基于DRAM的緩存中，就能夠極大的提升整體系統的應用性能。當然，同時也需要考慮到，基于DRAM的SSD目前成本仍然居高不下，不過，如果只是少量的高IO需求數據存儲到DRAM緩存中，而其余大部分較 “冷”的，讀寫并不十分頻繁的數據仍然存儲到傳統的硬盤上，同樣能夠在可接受的成本范圍內獲得最大的性能提升。

英特爾企業級SSD戰略剖析

主導X86服務器技術和產品更迭與創新的幕后巨人英特爾，在推動摩爾定律不斷向前發展的同時積累了微電子半導體領域的頂尖技術和生產工藝，因而做起SSD閃存芯片起來也是得心應手。英特爾推出的面向企業級應用的SSD產品目前包括兩個系列，基于SLC閃存芯片的SATA接口SSD：X25-E，以及基于MLC閃存芯片的 SATA接口SSD：X25-M。技術指標規格如下表所示。

今年秋季Intel IDF上，下一代企業級產品710、720系列產品已經正式推出。據稱，新一代企業級SSD在閃存芯片方面改用了25nm工藝的HET MLC NAND技術，容量規格包括100GB、200GB和300GB，緩存容量64MB。接口仍然采用了3Gbps SATA接口。

此外，更高端的720系列SSD首度采用了PCI-E接口，擁有200/400GB基于34nm工藝的SLC閃存芯片，緩存達到512MB，讀寫性能十分驚人。順序讀和順序寫速度分別達到2.2GB/s和1.8GB/s，隨機讀寫也達到了180000及56000 IOPS，上圖為最新Intel 710/720 SSD規格指標。

▲Gartner預計不同接口的SSD市場份額

此外，英特爾與美光合作的基于20nm制程的NAND芯片也呼之欲出，有望使閃存芯片密度在現有基礎上加倍，進一步降低SSD(固態硬盤)存儲成本。

推動SSD標準化進程

不過，提高閃存工藝標準并不是英特爾唯一在做的事情，擅長推行標準化的英特爾也將標準化進程引入了SSD領域。一方面推行標準化降低閃存及固態硬盤工藝成本，另一方面也借此鞏固其在固態硬盤領域的領導地位。

英特爾從2006年開始就組建了開放式閃存接口組織(ONFi)，目前已有90多個成員，共同推動閃存接口標準化。目前，ONFi正在下列兩個方面積極努力：ONFi 3.0標準致力于進一步提升NAND接口性能，從200MT/s提升至400MT/s，此外，ONFi 3.0版本還將與ONFi 1.x與2.x完全兼容。

此外，ONFi組織還致力于發展零糾錯碼NAND，將依賴于NAND制程的功能從控制器中剝離出去，ECC(和其他功能)可以轉由內建于NAND的 ASIC芯片來執行，而傳統的NAND協議(寫、擦除等)則完全不變。從而降低主控的負擔，使其輕松跟上極速發展的NAND性能。

此外，英特爾認為，基于PCI-E接口的SSD可以保證足夠的有效帶寬，為未來更高性能的固態硬盤甚至固態硬盤陣列提供足夠的數據通道，并且直插的方式同時減少了外圍組件的成本。英特爾也在積極的推進企業級NVMHCI(非易失性存儲主機控制器接口，Non-Volatile Memory Host Controller Interface，簡稱NVMHCI)標準。

目前NVMHCI標準的1.0版本已經在制定過程中，致力于解決目前PCI-E接口存在的性能瓶頸，支持高效的新型命令組，支持信號中斷(MSI-X)和中斷聚集，支持虛擬IO，高效的錯誤處理模式，并能將驅動程序轉換成業界流行的SCSI管理架構。NVMHCI接口將充分考慮企業級服務器的應用情形，建立高效的接口標準以勝任高IOPS應用，使OS供應商能夠推出一種適用于所有PCIe SSD的標準的高校驅動器，簡化OEM驗證過程，每個OS只需一個驅動器，并縮短PCIe SSD的上市時間。