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        服務器技術

        HDD與SSD:固態硬盤世界中還有機械硬盤的空間嗎?

        時間:2017-08-28 00:35:17   作者:tanym   來源:IDCSPED   閱讀:22911   評論:0
        內容摘要:在2017年,關于HDD與SSD的爭議仍在繼續。機械硬盤在個人電腦和服務器上與固態硬盤相比仍然發揮更大的作用,機械硬盤的出貨量并不比2005年的水平低。

                雖然固態硬盤(SSD)與機械硬盤(HDD)的速度差別很大,但在可預見的將來,機械硬盤將在固態硬盤日益增長的甚至以DRAM為中心的數據中心中占有一席之地。


                雖然固態硬盤的價格仍然相對較高,自從過去十年中期以來,固態硬盤倡導者認為,SSD硬盤將在未來幾年內完全取代HDD。然而在2017年,關于HDD與SSD的爭議仍在繼續。機械硬盤在個人電腦和服務器上與固態硬盤相比仍然發揮更大的作用,機械硬盤的出貨量并不比2005年的水平低。


               為什么基于閃存的SSD硬盤沒有接管市場?簡而言之,這是因為HDD硬盤更換者不知如何最好地利用SSD技術。圖1顯示了一個適合于清晰層次結構的內存和硬盤存儲的連續發展的示意圖。
        HDD與SSD:固態硬盤世界中還有機械硬盤的空間嗎?
        圖1存儲設備的層次結構


                HDD與SSD技術在該層次結構中起著重要但并非唯一的作用。讓我們來看看這個示意圖,并進行詳細的分析,看看為什么是這樣。


                該圖中,水平軸表示每GB的價格,垂直軸表示帶寬,軸被標記為數量級,103 = 1,000,104 = 10000,可以讓所示意的最大值和最小值清晰可見。


                在圖表的左下方是磁帶,仍然是存儲設備中常用的最慢和成本最低的元素。在右上角,是L1緩存,是存儲設備中最快,最昂貴的內存。而在這些存儲設備之間,從左到右分別是機械硬盤HDD,固態硬盤SSD,NAND閃存,DRAM內存,然后是各種其他緩存級別。而在圖中,每個橢圓中的存儲設備存儲速度都比其下面的要快,比其上面的要慢,比右邊價格低,比左邊的價格高。所有存儲設備都整齊地排列在一起。


                內存存儲層次結構使用算法將熱數據自動移動到該層次結構中速度更快價格更昂貴的元素中,并將冷數據轉移到更慢和更便宜的元素。這是在高速緩存DRAM接口和不同級別由高速緩存管理邏輯執行的。DRAM存儲接口(HDD或SSD-NAND)由需求分頁操作系統管理,這就是虛擬內存的實現方式。SSD硬盤在這個方面是一個比較新的元素,所以采用緩存軟件而不是操作系統管理SSD-HDD接口。大多數系統不會自動執行磁帶和HDD硬盤之間的數據管理。


                為了優化存儲系統的價格/性能,IT經理必須平衡其使用的每個內存或存儲元素的數量。如果他們提供過多的這些元素,會高于必要的成本。如果他們使用的太少,那么性能會受到影響。


        使用固態硬盤來減少DRAM內存的需求


                由于DRAM內存與HDD硬盤之間的存取速度差異大約在1百萬到1之間,所以系統管理員用來增加系統的DRAM內存以抵消硬盤延遲。自從推出廉價的固態硬盤以來,這種做法已經失去了吸引力。這些系統管理員已經了解到SSD硬盤可以提供比相同價格的大容量DRAM內存具有更大的收益。換句話說,他們正在使用SSD硬盤替代HDD硬盤,并減少DRAM內存的使用量。


        HDD和SSD:閃存云模型


                一些數據中心的存儲設施已經轉移到云端模式,云端用于冷存儲。那么這將如何改變定價模式?因為云端延遲比HDD硬盤延遲慢得多,所以這種方法似乎并不匹配圖1的存儲器層次結構。通過在云端之前插入本地HDD存儲,用戶應該能夠使用SSD加HDD硬盤,再加上云端配置,能夠以更低的價格實現全閃存加云計算系統的相同性能,這與使用SSD硬盤可以減少使用DRAM內存的方式相同。這是一個簡單的平衡資源情況。


                與此同時,云存儲基本上是基于HDD硬盤的,所以HDD起訴還沒有從存儲器層次結構中淘汰。它們只是從一個設施轉移到另一個設施,其延遲時間更長,管理方法不同,成本也更高。


                這里用一些數學知識來解釋這個想法。根據經驗,假設DRAM內存是SSD硬盤存取速度的1000倍,而SSD硬盤的速度是HDD硬盤的1000倍。此外,可以假設花費100美元購買的DRAM內存,可以購買10倍容量以上的NAND技術的SSD硬盤。


                軟件以類似于鐘形曲線的方式訪問內存存儲層次結構;某些字節將在短時間內頻繁訪問,而其他字節則不太頻繁。圖2是這樣的一個例子。

        HDD與SSD:固態硬盤世界中還有機械硬盤的空間嗎?
        圖2 軟件對內存存儲層次結構的訪問
        圖2的DRAM內存的基數由圖3中的黃色方框表示。窄分布軟件利用這一相對較小的DRAM性能良好,但寬分布軟件將需要更多的DRAM,以充分發揮其優勢。
        HDD與SSD:固態硬盤世界中還有機械硬盤的空間嗎?
        圖4 DRAM內存加倍的寬分布和窄分布訪問情況


                在圖4中,由于DRAM內存的數量增加了一倍,覆蓋了絕大多數的窄分布訪問,但為寬分布留下了大量的訪問。而這些訪問如果沒有SSD硬盤,將承受上百萬倍訪問的延遲。


                現在來探討一下,DRAM的數量沒有增加一倍,而是向圖表添加相同的價值的SSD硬盤時會發生什么。在圖5中,第二個黃色方框比DRAM的方框明顯更寬,因為人們能夠以比DRAM的相同的價格購買10倍容量的SSD硬盤,雖然其存儲速度相對較慢。

        HDD與SSD:固態硬盤世界中還有機械硬盤的空間嗎?
        圖5 增加SSD硬盤之后窄分布程序和寬分布程序的訪問情況


                這種配置幾乎滿足了窄分布程序和寬分布程序的幾乎所有訪問,延遲百萬倍的訪問只占訪問總量的極少量。這是在這些系統中采用SSD硬盤比DRAM內存更好的一種選擇。


                以一些數字來對此進行說明。采用最少數量的DRAM,窄分配訪問的約55%得到滿足。這是圖3中單個DRAM方框中黑色曲線下方的面積。當增加一倍DRAM內存時,可以滿足大約90%的窄分布訪問,由兩個DRAM方框中,圖4中黑色曲線下的區域顯示。如果決定不添加DRAM內存,而是添加一個與DRAM價格相同的SSD硬盤,那么只有大約1%的訪問需要進入HDD硬盤,圖5黑色曲線下的區域,這條曲線位于在兩個方框之外。


                圖1考慮了所有這些情況,以計算內存存儲層次結構的HDD、SSD和DRAM部分的平均延遲時間。延遲數字是基于DRAM的延遲:SSD硬盤的103延遲是DRAM內存延遲的1000倍,而HDD硬盤的106延遲是DRAM內在的一百萬倍。


                增加一倍的DRAM內存可以滿足90%的所有訪問,只有10%的訪問會遇到百萬倍的延遲。這聽起來相當不錯,但是這個百萬倍的延遲時間造成了巨大的影響,導致系統的平均延遲時間大約是HDD硬盤的十分之一,也就是105。換句話說,存儲系統的整體平均延遲接近DRAM延遲的10萬倍。


                如果使用SSD硬盤而不是增加DRAM,那么DRAM內存可以滿足訪問總量的55%,另外44%的訪問在DRAM的延遲時間達到1000倍,只有1%的訪問遭受到百萬倍的延遲。其結果是平均延遲是僅是DRAM系統的十分之一,約為104。


                人們可以看到寬分布軟件的百分比將從使用SSD硬盤獲得更大的收益,因為大容量的DRAM占所有訪問的百分比要小得多。


                很難確定軟件具有寬或窄分布,因此大多數系統管理員只需使用不同數量的DRAM和SSD存儲來嘗試他們的系統,可以查看哪種配置能夠提供最佳的性價比。


                這就是SSD硬盤在服務器和存儲方面的幫助 - 而不是作為一種替代HDD硬盤的手段,可以將系統的更多性能與采用更大容量的DRAM內存進行比較。越來越多的系統管理員正在學習這一點,將其關注點從HDD與SSD硬盤的配置轉移到SSD硬盤與DRAM的配置上。


                最好的系統不會在內存存儲層次結構中提供太多的元素,而是以最佳價格/性能來平衡它們。


         TCO的論點


                上述論點只適用于績效與資本成本。從總擁有成本(TCO)的角度來看,還有一個有利于SSD的好主意。您可以使用成本模型(通常是像電子商務協會提供的免費的Excel電子表格)計算TCO。

                SSD可降低系統功耗和冷卻需求,并在某些情況下降低維護成本。這意味著資本支出和經營預算落在同一管理層的設施中的固態硬盤平衡。大型數據中心的這種情況是正確的,但是在大多數的安裝中,這兩個預算是單獨管理的,而TCO參數是不被考慮的。


          總體擁有成本(TCO)的論點


                上述論點只適用于績效與資本成本。從總體擁有成本(TCO)的角度來看,還有一個有利于SSD的好方法??梢允褂贸杀灸P陀嬎鉚CO,通常是一個Excel電子表格,如存儲網絡行業協會提供的免費電子表格。


                采用SSD硬盤可降低系統功耗和冷卻需求,并在某些情況下降低維護成本。這意味著需要對同一管理層的設施中的固態硬盤資本支出和經營預算進行平衡。這種情況適用于大型數據中心,但是在大多數的安裝中,這兩個預算是單獨管理的,而TCO是不被考慮的。


                如果TCO確實在存儲決策中發揮作用,它將受到模型中使用的輸入數字的約束?;ㄆ煦y行銀行已決定將其所有數據中心整合為全閃存方式?;ㄆ鞂⒏鶕CO模式,在其使用壽命為兩年的HDD硬盤和SSD固態硬盤五年的生命周期內,使用閃存取代基于HDD的系統。硬盤制造商一般不會認同這一假設,而是會認為HDD硬盤的生命周期應該與SSD硬盤相同,這將使TCO模型的結果向HDD硬盤傾斜。


        個人電腦中的HDD硬盤與SDD硬盤


        個人電腦采用的存儲設備怎么樣?為什么大多數個人電腦仍然采用HDD硬盤?


                HDD與SSD購買決策更多地與消費者購買模式有關,而不是價格/性能。在一個典型的個人電腦廣告中,價格和制造商的名稱在頂部列出,之后,再宣傳處理器的名稱。再標出DRAM內存和硬盤的容量。其他一切都在下面。根據廣告的不同,可以列出額外的規格和描述,但它們總是以前面的數字為基礎。


        英特爾Optane內存在硬盤與SSD中的作用


                 英特爾公司最近推出了其Optane內存產品,采用PCIe非易失性內存技術和DIMM格式。這兩者都適合圖1中的動態RAM和NAND閃存。它們將推動系統管理員重新考慮其存儲層級的平衡,有利于減少對DRAM內存的需求,因為人們希望Optane內存填補NAND閃存和DRAM內存之間的日益增長的差距。


                有了這些有限的信息,消費者可能不會在技術上傾向于選擇購買哪臺個人電腦。是否應該花費500美元,購買擁有2 GB的DRAM和1 TB的HDD硬盤,還是以同樣的價格購買擁有相同的2 GB DRAM和128 GB的SSD硬盤?或者,如果消費者支付500美購買具有2GB DRAM和1TB HDD的個人電腦,或者支付900美元購買2GB DRAM內存和1TB SSD硬盤的個人電腦?

        SSD硬盤在任何時候不會在價格與容量方面與HDD硬盤直接競爭


                因此從這種方式來,SSD硬盤的應用看起來并不那么樂觀,如果不知道SSD硬盤的好處,或者如果已經使用了SSD硬盤,它所做的一切只是讓個人電腦啟動更快,或者啟動程序更快。除了用于高端游戲之外,大多數個人電腦的工作負載的DRAM內存的容量相對較小,因此SSD硬盤不能提供其他顯著的性能改進。


                從這個角度來看,很容易理解為什么大多數個人電腦的購買者從SSD硬盤轉向購買基于HDD的個人電腦。


                SSD硬盤何時比HDD硬盤價格更低?


                SSD硬盤推動者十多年來一直注意到SSD硬盤和HDD硬盤的價格正在迅速融合,其價格差異將會消失,從而消除了HDD硬盤對于SSD硬盤的競爭力。實際上,雖然預計出現這個現象已經十多年了,但還有很長的路要走。

        HDD與SSD:固態硬盤世界中還有機械硬盤的空間嗎?
        圖6顯示了HDD硬盤和NAND 閃存的定價走勢。

                仔細觀察這張圖表表明,這些線條正在逐漸整合,其時間大概在15到20年之間。但是,總的來說,它們正在大致平行的路徑上移動,并且有很好的理由:


                oSSD價格由摩爾定律推動,閃存的價格每年下降約30%。


                o根據ASTC技術路線圖,HDD硬盤的存儲容量每年增長約30%。而市場上最高容量的HDD硬盤成為了可以在任何時間點以最低價格提供最高存儲容量的硬盤,往往約50美元的相同的價格出售,導致年度都有類似的降價出售。


                最重要的是,SSD硬盤在價格上與容量上不會很快地與HDD硬盤直接競爭。


                HDD硬盤的市場空間


                現在人們已經看到了HDD硬盤與SSD硬盤在數據中心和個人電腦的應用,可以清楚地得出一些簡單的結論:


                數據中心將繼續使用HDD硬盤進行存儲,以保持最佳的性價比優勢,同時在內存存儲層次結構的所有階段仔細地平衡容量。

         

                即使要求較同的用戶可能更加喜歡SSD硬盤提供的優勢,但個人電腦因為民性價比仍將繼續采用HDD硬盤。


                因此,實際上在固態世界中,在當今和在可預見的未來,仍然有HDD硬盤的市場空間。


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        標簽:HDD硬盤  SSD硬盤  
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