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TLC/QLC硬盤的死結 SSD為什么會掉速?

2019-04-21 19:04:48 電腦百事網 編輯:草根 瀏覽數:12草根網

本文轉載自超能網,其他媒體轉載須經超能網同意。如今已經是9102年了,裝機、升級電腦首選SSD硬盤的理念早就深入人心了,再加上這一年多來NAND閃存價格不斷下滑,SSD硬盤價格應聲回落,1TB容量的SSD硬盤千元內售價已...

本文轉載自超能網,其他媒體轉載須經超能網同意。

如今已經是9102年了,裝機、升級電腦首選SSD硬盤的理念早就深入人心了,再加上這一年多來NAND閃存價格不斷下滑,SSD硬盤價格應聲回落,1TB容量的SSD硬盤千元內售價已經是主流,而且還可以買到更高性能的M.2硬盤而非SATA硬盤,不怕死的話還可以考慮一些將近5毛/GB的雜牌SSD硬盤,買來當倉庫盤還是可以的。回頭看看多年不降價的HDD硬盤,機械硬盤市場日薄西山不是沒道理的。

但是HDD硬盤逐漸遠離桌面、筆記本電腦市場,這就能代表SSD硬盤各種完美了嗎?還真不是,如今在大降價的環境下SSD硬盤各種“真香”,但它還是有一個讓人糟心的問題——掉速。對于SSD硬盤掉速,長期使用過SSD硬盤的玩家應該有體會(也有人其實沒意識到這個問題),今天的超能課堂我們就來談談SSD硬盤的掉速問題。

對于SSD硬盤掉速,目前并沒有準確的定義,這里我們就按照字面意義上的掉速將其理解為“性能下降”,分析目前可能導致SSD掉速的種種原因及解決方案。

·SSD掉速之SLC、MLC、TLC到QLC變遷

閃存類型的升級也是SSD硬盤掉速的原因嗎?仔細想想的話還真沒錯,實際上我們可以說正是閃存類型不斷變化才導致了SSD硬盤掉速問題越來越嚴重,如果我們還在使用SLC閃存,那掉速問題早就不是事了,只不過SLC閃存硬盤這事別想了,最好的閃存意味著最貴的成本,即便廠商現在還敢把SLC閃存當主力,普通消費者也用不起。

從SLC、MLC到TLC再到QLC,由于cell單元可以保存的電荷位越來越多,容量在不斷增加,相應地成本在下降,但是NAND閃存先天的特性就注定了電位越多,控制就越復雜,寫入數據的時間就越長,導致性能大幅下滑(主要是寫入性能,讀取性能還好)。

我們現在看到的TLC、QLC閃存的硬盤性能指標還不錯,SATA接口的也能達到500MB/s寫入速度,M.2接口的視PCIe 3.0通道數不同,寫入性能可達1GB/s、2GB/s甚至更高,但是這樣的性能是施了魔法之后的,是理想情況下的性能。

上圖就是英特爾QLC閃存的660P硬盤的實際表現,隨著寫入數據量的增加,緩存空間用完之后QLC原始性能就暴露無遺了,寫入速度就降至100MB/s,這性能沒比HDD硬盤快多少了。

·SSD掉速之垃圾回收GC、TRIM

提到SSD硬盤掉速問題,老玩家可能還會想起來早些年浦科特 在自家M系列高性能SSD硬盤中宣傳的不掉速功能,這個賣點當時是吸引了不少SSD用戶的,考慮到那時候MLC閃存還是市場主力,SSD硬盤掉速主要是因為當時的主控管理機制問題所致。

具體來說就是SSD的GC垃圾回收以及TRIM指令問題,如果大家看過我們之前的科普文章,就知道NAND閃存特殊之處就在在于寫入文件的方式,需要一塊一塊的刪除,由于各種寫入、刪除操作會在SSD留下雜亂的數據,其中有些是還有用的,有些就是無效的,GC功能啟動之后就把有用的數據拷貝到另外的區塊,原來存儲數據的區域就會被清楚,恢復空盤水平以準備寫入新的數據,SSD硬盤的性能也就恢復了。

除了GC垃圾回收機制,微軟在Windows 7及之后的系統還引入了TRIM指令,這是基于SATA控制器的一個指令,一旦有文件刪除或者分區格式化,操作系統就會發TRIM指令給SSD主控告訴它某處的數據已經刪除了,SSD因而知道那些數據是能動那些不能動的,之后就可以進行清空操作以恢復性能了。

GC及TRIM也能影響SSD硬盤的掉速,不過現在來說這些功能已經變成了SSD的基本功能,操作系統上的支持也不是問題了,因為這兩個問題導致SSD掉速的現象少多了。

·SSD掉速之840 EVO掉速門

從SLC到MLC再到TLC、QLC,不僅閃存的性能在逐漸下降,其實可靠性也是在降低的,反映到物理層就是由于TLC、QLC閃存存儲的電荷位更多,控制也更復雜,而隨著時間的流逝,電子的活性也會損失的,在TLC閃存剛問世的時候,三星840 Evo就出現過長期不用導致性能下降的問題。

840 EVO掉速門事件就是說它在讀取存儲超過數周或者數月的舊文件時,速度嚴重不如預期,官方指標中840 Evo讀取速度超過450MB/s,但讀取舊文件時速度就低至60MB/s,速度明顯下降。

對于這個問題,三星之后也做了調查,表示“借助閃存管理軟件算法,SSD通常會隨時間校正Cell單元的狀態,840 Evo的讀取-重試(read-retry)操作太過激進,導致了整體讀取性能的下降。這種情況只會發生在其內部Cell單元無數據變化的情況下,如果這個單元的數據隨后遷移了或者被覆寫了,這就不會有性能下降的問題 。”

最后三星發布了新固件,解決了840 Evo掉速的問題。在這個問題上,三星沒有承認這是TLC閃存的問題,但在發展初期,TLC閃存從閃存到主控管理都是有些問題的,出現這個問題并不意外。

·SSD掉速之主控過熱保護

上面提到的SSD掉速都是圍繞閃存而言的,但SSD主控其實也會影響SSD掉速問題,這主要是由于SSD硬盤的過熱保護問題引起的,SATA硬盤上基本上沒這么問題,主要是在高性能M.2硬盤大量上市之后才比較集中的。

SSD主控本質上也是基于ARM或者自研架構的CPU,為了提高性能,SSD主控往往也是多核心架構了,三核甚至四核主控不少見,高負載下發熱也是個問題。對于高性能PCIe、M2接口的SSD硬盤來說,由于空間狹小,發熱集中,主控區域的溫度超過90°C甚至上百度都很正常,為了避免高溫損壞,SSD硬盤會有溫控機制,檢測到溫度過高就會降頻,進而減少發熱。

不過降低主控頻率,實際上也會降低SSD性能。要想解決因為發熱掉速的問題,最常用的手段就是提高散熱效果,比如三星在970 Pro硬盤的主控設計就使用了更好的封裝,整個主控使用了金屬外殼封裝,提高了導熱性能。

當然,更直接的手段還是加裝散熱片,所以大家可以看到各種M.2硬盤都開始流行散熱馬甲了,影馳之前還推出了鐵甲戰將M.2硬盤,使用了厚度驚人的散熱片,雖然樣子難看了點,但是效果杠杠滴。

除了上面介紹的這些掉速原因,其實還有一些別的因素會影響SSD性能正常發揮,比如4K沒對齊、同步/異步閃存、AHCI/IDE模式等等,不過這些操作現在來說并不是主要問題了,以前是問題主要還是SSD不普及,很多人不懂設置,而現在Windows系統自己就加入了很多SSD優化設置,第三方工具對SSD的支持也到位了。

SSD硬盤的緩存結構:從DRAM Cache到SLC Cache

以上有關SSD掉速的內容涉及到方方面面,不過對單個SSD硬盤來說,SSD掉速問題沒那么復雜,下面我們要進入正題了,先來看看現代SSD硬盤的基本結構:

不論SATA還是M.2硬盤,它們的PCB布局都差不多,上面的M.2硬盤從左到右分別是DRAM緩存、主控及NAND閃存,其中主控及NAND閃存是必不可少的,DRAM緩存可以有也可以沒有,沒有的主要是低端SSD硬盤,減少DRAM緩存可以降低成本,特別是過去兩年中DRAM內存因為大漲價,低端SSD更加流行無DRAM緩存的方案,它們會用過HMB主機內存緩存來彌補導致的性能損失。

對于高性能的SSD硬盤,DRAM緩存不可少,因為就算是DDR3緩存,其帶寬也能達到數GB/s甚至十幾GB/s,遠高于SSD閃存的性能,對提升性能還是很有幫助的,現在三星等公司在高端SSD上已經開始使用DDR4-2133做緩存了。

至于DRAM緩存容量,容量少的有128MB,256MB、512MB比較常見,隨著SSD硬盤越來越大,1GB緩存的也不少見了,一般來說是1TB閃存配1GB  DRAM緩存,越高越好。

DRAM緩存是現代SSD硬盤的第一道緩存結構,從硬盤上讀取數據首先就是看DRAM緩存中有沒有需要的數據,如果有,那就先用這里的,所以速度會很快,如果緩存中沒有再去NAND閃存中尋找,速度就是NAND閃存的了,相對來說慢很多。

總的來說,DRAM緩存對SSD硬盤來說是錦上添花的,從DRAM緩存到NAND閃存也是存在掉速的,不過通常這種調速大家是感受不出來的,畢竟緩存容量還是太小了,很容易就超出。

SSD硬盤大部分情況下還是要依賴NAND閃存自身性能的,但我們都知道從SLC到MLC再到TLC及現在剛剛興起的QLC閃存,寫入性能是不斷下降的,原始的TLC、QLC閃存性能非常難看,不加修飾的話QLC閃存寫入性能可能都沒有100MB/s,HDD硬盤都比它快不是吹的。

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