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服务器技术

HDD与SSD:固态硬盘世界中还有机械硬盘的空间吗?

时间:2017-08-28 00:35:17   作者:tanym   来源:IDCSPED   阅读:129   评论:0
内容摘要:在2017年,关于HDD与SSD的争议仍在继续。机械硬盘在个人电脑和服务器上与固态硬盘相比仍然发挥更大的作用,机械硬盘的出货量并不比2005年的水平低。

        虽然固态硬盘(SSD)与机械硬盘(HDD)的速度差别很大,但在可预见的将来,机械硬盘将在固态硬盘日益增长的甚至以DRAM为中心的数据中心中占有一席之地。


        虽然固态硬盘的价格仍然相对较高,自从过去十年中期以来,固态硬盘倡导者认为,SSD硬盘将在未来几年内完全取代HDD。然而在2017年,关于HDD与SSD的争议仍在继续。机械硬盘在个人电脑和服务器上与固态硬盘相比仍然发挥更大的作用,机械硬盘的出货量并不比2005年的水平低。


       为什么基于闪存的SSD硬盘没有接管市场?简而言之,这是因为HDD硬盘更换者不知如何最好地利用SSD技术。图1显示了一个适合于清晰层次结构的内存和硬盘存储的连续发展的示意图。
HDD与SSD:固态硬盘世界中还有机械硬盘的空间吗?
图1存储设备的层次结构


        HDD与SSD技术在该层次结构中起着重要但并非唯一的作用。让我们来看看这个示意图,并进行详细的分析,看看为什么是这样。


        该图中,水平轴表示每GB的价格,垂直轴表示带宽,轴被标记为数量级,103 = 1,000,104 = 10000,可以让所示意的最大值和最小值清晰可见。


        在图表的左下方是磁带,仍然是存储设备中常用的最慢和成本最低的元素。在右上角,是L1缓存,是存储设备中最快,最昂贵的内存。而在这些存储设备之间,从左到右分别是机械硬盘HDD,固态硬盘SSD,NAND闪存,DRAM内存,然后是各种其他缓存级别。而在图中,每个椭圆中的存储设备存储速度都比其下面的要快,比其上面的要慢,比右边价格低,比左边的价格高。所有存储设备都整齐地排列在一起。


        内存存储层次结构使用算法将热数据自动移动到该层次结构中速度更快价格更昂贵的元素中,并将冷数据转移到更慢和更便宜的元素。这是在高速缓存DRAM接口和不同级别由高速缓存管理逻辑执行的。DRAM存储接口(HDD或SSD-NAND)由需求分页操作系统管理,这就是虚拟内存的实现方式。SSD硬盘在这个方面是一个比较新的元素,所以采用缓存软件而不是操作系统管理SSD-HDD接口。大多数系统不会自动执行磁带和HDD硬盘之间的数据管理。


        为了优化存储系统的价格/性能,IT经理必须平衡其使用的每个内存或存储元素的数量。如果他们提供过多的这些元素,会高于必要的成本。如果他们使用的太少,那么性能会受到影响。


使用固态硬盘来减少DRAM内存的需求


        由于DRAM内存与HDD硬盘之间的存取速度差异大约在1百万到1之间,所以系统管理员用来增加系统的DRAM内存以抵消硬盘延迟。自从推出廉价的固态硬盘以来,这种做法已经失去了吸引力。这些系统管理员已经了解到SSD硬盘可以提供比相同价格的大容量DRAM内存具有更大的收益。换句话说,他们正在使用SSD硬盘替代HDD硬盘,并减少DRAM内存的使用量。


HDD和SSD:闪存云模型


        一些数据中心的存储设施已经转移到云端模式,云端用于冷存储。那么这将如何改变定价模式?因为云端延迟比HDD硬盘延迟慢得多,所以这种方法似乎并不匹配图1的存储器层次结构。通过在云端之前插入本地HDD存储,用户应该能够使用SSD加HDD硬盘,再加上云端配置,能够以更低的价格实现全闪存加云计算系统的相同性能,这与使用SSD硬盘可以减少使用DRAM内存的方式相同。这是一个简单的平衡资源情况。


        与此同时,云存储基本上是基于HDD硬盘的,所以HDD起诉还没有从存储器层次结构中淘汰。它们只是从一个设施转移到另一个设施,其延迟时间更长,管理方法不同,成本也更高。


        这里用一些数学知识来解释这个想法。根据经验,假设DRAM内存是SSD硬盘存取速度的1000倍,而SSD硬盘的速度是HDD硬盘的1000倍。此外,可以假设花费100美元购买的DRAM内存,可以购买10倍容量以上的NAND技术的SSD硬盘。


        软件以类似于钟形曲线的方式访问内存存储层次结构;某些字节将在短时间内频繁访问,而其他字节则不太频繁。图2是这样的一个例子。

HDD与SSD:固态硬盘世界中还有机械硬盘的空间吗?
图2 软件对内存存储层次结构的访问
图2的DRAM内存的基数由图3中的黄色方框表示。窄分布软件利用这一相对较小的DRAM性能良好,但宽分布软件将需要更多的DRAM,以充分发挥其优势。
HDD与SSD:固态硬盘世界中还有机械硬盘的空间吗?
图4 DRAM内存加倍的宽分布和窄分布访问情况


        在图4中,由于DRAM内存的数量增加了一倍,覆盖了绝大多数的窄分布访问,但为宽分布留下了大量的访问。而这些访问如果没有SSD硬盘,将承受上百万倍访问的延迟。


        现在来探讨一下,DRAM的数量没有增加一倍,而是向图表添加相同的价值的SSD硬盘时会发生什么。在图5中,第二个黄色方框比DRAM的方框明显更宽,因为人们能够以比DRAM的相同的价格购买10倍容量的SSD硬盘,虽然其存储速度相对较慢。

HDD与SSD:固态硬盘世界中还有机械硬盘的空间吗?
图5 增加SSD硬盘之后窄分布程序和宽分布程序的访问情况


        这种配置几乎满足了窄分布程序和宽分布程序的几乎所有访问,延迟百万倍的访问只占访问总量的极少量。这是在这些系统中采用SSD硬盘比DRAM内存更好的一种选择。


        以一些数字来对此进行说明。采用最少数量的DRAM,窄分配访问的约55%得到满足。这是图3中单个DRAM方框中黑色曲线下方的面积。当增加一倍DRAM内存时,可以满足大约90%的窄分布访问,由两个DRAM方框中,图4中黑色曲线下的区域显示。如果决定不添加DRAM内存,而是添加一个与DRAM价格相同的SSD硬盘,那么只有大约1%的访问需要进入HDD硬盘,图5黑色曲线下的区域,这条曲线位于在两个方框之外。


        图1考虑了所有这些情况,以计算内存存储层次结构的HDD、SSD和DRAM部分的平均延迟时间。延迟数字是基于DRAM的延迟:SSD硬盘的103延迟是DRAM内存延迟的1000倍,而HDD硬盘的106延迟是DRAM内在的一百万倍。


        增加一倍的DRAM内存可以满足90%的所有访问,只有10%的访问会遇到百万倍的延迟。这听起来相当不错,但是这个百万倍的延迟时间造成了巨大的影响,导致系统的平均延迟时间大约是HDD硬盘的十分之一,也就是105。换句话说,存储系统的整体平均延迟接近DRAM延迟的10万倍。


        如果使用SSD硬盘而不是增加DRAM,那么DRAM内存可以满足访问总量的55%,另外44%的访问在DRAM的延迟时间达到1000倍,只有1%的访问遭受到百万倍的延迟。其结果是平均延迟是仅是DRAM系统的十分之一,约为104。


        人们可以看到宽分布软件的百分比将从使用SSD硬盘获得更大的收益,因为大容量的DRAM占所有访问的百分比要小得多。


        很难确定软件具有宽或窄分布,因此大多数系统管理员只需使用不同数量的DRAM和SSD存储来尝试他们的系统,可以查看哪种配置能够提供最佳的性价比。


        这就是SSD硬盘在服务器和存储方面的帮助 - 而不是作为一种替代HDD硬盘的手段,可以将系统的更多性能与采用更大容量的DRAM内存进行比较。越来越多的系统管理员正在学习这一点,将其关注点从HDD与SSD硬盘的配置转移到SSD硬盘与DRAM的配置上。


        最好的系统不会在内存存储层次结构中提供太多的元素,而是以最佳价格/性能来平衡它们。


 TCO的论点


        上述论点只适用于绩效与资本成本。从总拥有成本(TCO)的角度来看,还有一个有利于SSD的好主意。您可以使用成本模型(通常是像电子商务协会提供的免费的Excel电子表格)计算TCO。

        SSD可降低系统功耗和冷却需求,并在某些情况下降低维护成本。这意味着资本支出和经营预算落在同一管理层的设施中的固态硬盘平衡。大型数据中心的这种情况是正确的,但是在大多数的安装中,这两个预算是单独管理的,而TCO参数是不被考虑的。


  总体拥有成本(TCO)的论点


        上述论点只适用于绩效与资本成本。从总体拥有成本(TCO)的角度来看,还有一个有利于SSD的好方法。可以使用成本模型计算TCO,通常是一个Excel电子表格,如存储网络行业协会提供的免费电子表格。


        采用SSD硬盘可降低系统功耗和冷却需求,并在某些情况下降低维护成本。这意味着需要对同一管理层的设施中的固态硬盘资本支出和经营预算进行平衡。这种情况适用于大型数据中心,但是在大多数的安装中,这两个预算是单独管理的,而TCO是不被考虑的。


        如果TCO确实在存储决策中发挥作用,它将受到模型中使用的输入数字的约束。花旗银行银行已决定将其所有数据中心整合为全闪存方式。花旗将根据TCO模式,在其使用寿命为两年的HDD硬盘和SSD固态硬盘五年的生命周期内,使用闪存取代基于HDD的系统。硬盘制造商一般不会认同这一假设,而是会认为HDD硬盘的生命周期应该与SSD硬盘相同,这将使TCO模型的结果向HDD硬盘倾斜。


个人电脑中的HDD硬盘与SDD硬盘


个人电脑采用的存储设备怎么样?为什么大多数个人电脑仍然采用HDD硬盘?


        HDD与SSD购买决策更多地与消费者购买模式有关,而不是价格/性能。在一个典型的个人电脑广告中,价格和制造商的名称在顶部列出,之后,再宣传处理器的名称。再标出DRAM内存和硬盘的容量。其他一切都在下面。根据广告的不同,可以列出额外的规格和描述,但它们总是以前面的数字为基础。


英特尔Optane内存在硬盘与SSD中的作用


         英特尔公司最近推出了其Optane内存产品,采用PCIe非易失性内存技术和DIMM格式。这两者都适合图1中的动态RAM和NAND闪存。它们将推动系统管理员重新考虑其存储层级的平衡,有利于减少对DRAM内存的需求,因为人们希望Optane内存填补NAND闪存和DRAM内存之间的日益增长的差距。


        有了这些有限的信息,消费者可能不会在技术上倾向于选择购买哪台个人电脑。是否应该花费500美元,购买拥有2 GB的DRAM和1 TB的HDD硬盘,还是以同样的价格购买拥有相同的2 GB DRAM和128 GB的SSD硬盘?或者,如果消费者支付500美购买具有2GB DRAM和1TB HDD的个人电脑,或者支付900美元购买2GB DRAM内存和1TB SSD硬盘的个人电脑?

SSD硬盘在任何时候不会在价格与容量方面与HDD硬盘直接竞争


        因此从这种方式来,SSD硬盘的应用看起来并不那么乐观,如果不知道SSD硬盘的好处,或者如果已经使用了SSD硬盘,它所做的一切只是让个人电脑启动更快,或者启动程序更快。除了用于高端游戏之外,大多数个人电脑的工作负载的DRAM内存的容量相对较小,因此SSD硬盘不能提供其他显著的性能改进。


        从这个角度来看,很容易理解为什么大多数个人电脑的购买者从SSD硬盘转向购买基于HDD的个人电脑。


        SSD硬盘何时比HDD硬盘价格更低?


        SSD硬盘推动者十多年来一直注意到SSD硬盘和HDD硬盘的价格正在迅速融合,其价格差异将会消失,从而消除了HDD硬盘对于SSD硬盘的竞争力。实际上,虽然预计出现这个现象已经十多年了,但还有很长的路要走。

HDD与SSD:固态硬盘世界中还有机械硬盘的空间吗?
图6显示了HDD硬盘和NAND 闪存的定价走势。

        仔细观察这张图表表明,这些线条正在逐渐整合,其时间大概在15到20年之间。但是,总的来说,它们正在大致平行的路径上移动,并且有很好的理由:


        oSSD价格由摩尔定律推动,闪存的价格每年下降约30%。


        o根据ASTC技术路线图,HDD硬盘的存储容量每年增长约30%。而市场上最高容量的HDD硬盘成为了可以在任何时间点以最低价格提供最高存储容量的硬盘,往往约50美元的相同的价格出售,导致年度都有类似的降价出售。


        最重要的是,SSD硬盘在价格上与容量上不会很快地与HDD硬盘直接竞争。


        HDD硬盘的市场空间


        现在人们已经看到了HDD硬盘与SSD硬盘在数据中心和个人电脑的应用,可以清楚地得出一些简单的结论:


        数据中心将继续使用HDD硬盘进行存储,以保持最佳的性价比优势,同时在内存存储层次结构的所有阶段仔细地平衡容量。

 

        即使要求较同的用户可能更加喜欢SSD硬盘提供的优势,但个人电脑因为民性价比仍将继续采用HDD硬盘。


        因此,实际上在固态世界中,在当今和在可预见的未来,仍然有HDD硬盘的市场空间。


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