解讀固態(tài)硬盤的“4K性能

在談到固態(tài)硬盤性能的時候，大家都會想到非常重要的“4K性能”，即4K隨機讀寫IOPS。作為系統(tǒng)盤使用時，固態(tài)硬盤執(zhí)行的讀寫操作中，4K隨機讀寫占據(jù)了相當大的份額。

“4K性能”受哪些因素影響呢?閃存沒有機械活動部件，隨機讀寫的效能比機械硬盤高出許多，但依然會受一些因素的制約，譬如閃存讀寫延遲、LUT(Look up table)效率。閃存的讀寫延遲基本是固定的，而LUT效率就成了影響固態(tài)硬盤“4K性能”的主要因素。

LUT填補了閃存與針對傳統(tǒng)機械硬盤設計的文件系統(tǒng)之間鴻溝，解決閃存不能覆蓋寫入、擦寫次數(shù)存在限制等問題。LUT可以被當成是一張邏輯地址(文件系統(tǒng))與物理地址(閃存單元)之間對應關系的查找表。

根據(jù)LUT表的存儲位置，固態(tài)硬盤可以分為有外置緩存和無外置緩存(DRAM-less)兩種類型，后者因為省去了固態(tài)硬盤當中的DRAM芯片，在性價比上擁有更好的表現(xiàn)。但省去DRAM緩存理論上會對“4K性能”產(chǎn)生一些不利影響。下圖是東芝TR200固態(tài)硬盤，采用當前主流的DRAM-less無外置緩存方案。

DRAM-less方案也有LUT表，存儲在主控內(nèi)集成的高速、小容量SRAM緩存當中。兩種方案的工作模式類似于字典中拼音和部首兩種檢字法。

拼音檢字表：有DRAM緩存，大腦中對字的讀音已經(jīng)了解，可以快速查到這個字的釋義所在頁碼。

部首檢字表：無DRAM緩存，需要先找到部首，然后根據(jù)比劃數(shù)量最終找到頁碼，等于查了兩次表，完整的Look up table需從NAND閃存上讀出。

當然事無絕對，東芝TR200主控內(nèi)置了高達32MB容量的高速SRAM緩存，按照1MB:1GB的標準LUT容量，能夠覆蓋32GB容量的閃存空間，相當于常用數(shù)據(jù)無需二次查表，LUT效率提升的結(jié)果就是“4K性能”的大幅改善。由于SRAM比外置DRAM緩存速度更快，東芝TR200的4K單線程讀取速度達到了52MB/s以上。

PCMark 7和PCMark 8存儲測試成績也表明TR200具備不俗的性能，說明只要主控硬件和固件設計得當，無外置緩存(DRAM-less)并不會給固態(tài)硬盤實用性能造成影響。

在RC100和BG3/4固態(tài)硬盤中，東芝還充分利用了NVMe協(xié)議中的Host Memory Buffer主機內(nèi)存緩沖特性，通過借用主機內(nèi)存中的一小段專用空間存儲LUT表，實現(xiàn)了更高性價比的設計目標。

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