2018/04/27

存储极客谈“如何绕开一堆复杂技术参数评估SSD寿命”

唐僧

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评估存储系统中SSD的寿命，既不是只有SLC、MLC、TLC之分那么简单，却也有办法绕开那复杂的一大堆技术参数。我们的建议是：了解闪存特性，抓住关键指标，从应用负载入手作出决策。

在前几期的《存储极客》系列连载中，我们跟大家讨论过机械硬盘不常被人们注意的一点——读写寿命（建议负载，单位：TB/年）。同时也提到了“闪存有P/E cycle（编程/擦除周期）的限制，也就是通常所说的写寿命……”

由于SSD相比HDD巨大的性能优势，用户不再需要为了IOPS而去“堆磁盘”；另外SSD单盘容量（1.92、3.84TB）也已经远超15000转硬盘（最大600GB）。如今用3D NAND SSD替代同容量的高转速企业级HDD，考虑到节省的盘柜空间，已经成本更低了。在这种情况下闪存想不流行都难。

以SSD/闪存为介质的存储系统，用户适当关注其介质寿命是正常的。而这就是本文要讨论的重点。

SSD等级划分：哪个指标更关键？

不同的闪存单元结构，直接影响到编程（擦除/写入）的时间长短和次数，但最终表现在SSD成品上的还有许多其它因素。

首先是NAND方面，这里有几个要点：颗粒等级、制造工艺，还有2D/3D之分。比如早期业内共识的一种分类方式是eMLC优于MLC（cMLC），Intel用的是另外一种叫法——HET (High Endurance Technology) 和SET (Standard Endurance Technology) 。与其说今天eMLC一词有点被“滥用”，不如承认现在的企业级SSD写耐久度范围确实比较宽，因为还牵涉到一些NAND基础单元之外的东西。

我们在以前的文章中写到过“利用多层堆叠封装，3D NAND能够提高闪存颗粒的密度。同时，搭配更加成熟3x-50nm半导体工艺，在相同的闪存类型（比如MLC vs. MLC，TLC vs. TLC）上比现今前沿的1x-20nm闪存会有更好的耐久度。众所周知，随着cell单元尺寸的不断缩小，NAND的P/E Cycle（编程/擦除周期）呈不断下降趋势，厂商们用更强大的纠错算法以及下面要讲到的“OP”来应对。”

同样的NAND闪存颗粒，制作成SSD闪存盘成品又可以有不同的等级。一个重要的因素是超量配置（Over Provisioning），许多朋友应该都知道闪存的写放大效应，这里就不详细展开了。在其它条件相同的情况下，SSD的OP比例越大，垃圾回收效率一般就越高，控制住写放大，写入寿命和性能就会相应越高。

所以，最终的结果有可能是MLC (eMLC) SSD的写入寿命达到了SLC的水平，3D TLC超过（2D）MLC的也不鲜见。因此，对于大多数最终用户而言，我觉得主要关注DWPD（Drive Writes Per Day）——每天可以写入整盘容量的几倍一项指标即可，通常指的是5年（x365天），也有按3年标的。

注：PBW（生命周期内总写入容量）= SSD容量x DWPD x天数

好在规范的企业级SSD厂商大都比较靠谱，出于对用户负责的态度这一指标也不会乱写。至于支持闪存/SSD的存储阵列，早期我看到大家普遍在配件列表中用SLC、eMLC的方式区分，如今逐渐转向更加合理有效的方式——写密集型、读密集型和混合用途SSD（介于前两者之间），分别对应不同的DWPD区间。

接下来的一个问题是：如何判别阵列上的SSD？对于配置通用SAS接口的产品，一般不难看出其供应商和型号；如果是采购之前，就要看阵列厂商的资料和报价说明。在本文中我们“走了个捷径”，从下面这张图说起：

为什么引用SPC-1测试报告？

众所周知，SPC-1是评估企业存储性能的基准测试，具体一点说是模拟的OLTP交易型工作负载。这里引用的报告也不算新闻了，Dell Storage SC4020使用6个SSD，测得SPC-1 IOPS 112,479.81，性价比$0.37/SPC-1 IOPS，数据保护为镜像方式。

为什么我们要列出这一份报告，它与闪存/SSD的等级和寿命计算又有什么关系呢？

在这个SPC-1报告的配置图中，注明使用了480GB SAS SSD，并且根据型号“HUSMR1650ASS200”可以查到供应商是HGST。

注：不是每一份SPC报告都会公布使用的驱动器具体型号，这也是我们使用Dell这个来分析的原因。基本上每个存储系统厂商都会有不只一家SSD供应商来源，因此在SC4020中如有480GB SSD来自其他品牌也属于正常。

根据详细的测试环境配置，生成负载的前端主机使用了一台Dell PowerEdge R720服务器，安装了两颗Intel Xeon（至强）2.0GHz E5-2650 8核CPU。另外双控的SC4020存储每个控制器也各有一颗4核Xeon处理器。

了解到全闪存阵列测试性能和SSD配置，为我们在下一篇中继续寿命估算和选型建议打下了基础。

看SSD好坏不能凭经验？

这款SSD属于使用MLC闪存的Ultrastar SSD1600MR系列，其型号在HGST官网上的资料中对应容量为500GB。出于统一的考虑，OEM的型号把SSD容量调小些也属于正常（物理闪存容量不变）。性能参数什么的感觉都在正常范围内，而现在我最关心的是PBW写入寿命——2.4PB，4KB随机写。

前面提到过写放大，它与写入方式也有关系，企业级SSD通常是按照最差的情况——小数据块随机写来考虑。按照5年365天来计算，其DWPD指标大约为2.63。细心的读者可能会发现这一数值要高于400GB和800GB的DWPD=2。

按照行业惯例的分类，这个系列SSD属于读密集型产品。

不知是否有读者朋友和我一样有类似的习惯——400、800GB这些容量点在企业级SSD中比480、960GB更好一些？如果前者出现在写寿命更高的系列中其OP比例往往更大，但现在讨论的情况却表明了一点——在DWPD同级的读密集型SSD中也可能有400、800GB这样的型号，此时它们的物理闪存容量与500（480）、1000（960）GB显然是不同的。

闪存阵列上SSD的DWPD范围

上图引用自戴尔SC阵列上支持的SSD分类，而我们的讨论并不限于某家存储厂商。除了容量点之外，不同类别之间的最大差别就是写入寿命和性能。无论写密集型SSD采用SLC还是MLC，读密集型采用MLC还是3D TLC，其DWPD值仍然保持在原来的范围内。

这个表里既有业内通用的划分方法，也补充进我了解到的情况（橙色字体）。尽管企业级读密集型SSD的DWPD可以在0.1-3之间，但实际上DWPD＜1的型号主要用于服务器启动盘和一些写入较少的“冷”存储应用（曾看到Intel有种分类将其称为数据中心SSD，区别于传统意义上的企业级）。

我们看到用于企业级闪存阵列上的SSD，一般至少要达到DWPD 1-3的范围。

此外，据了解采用SLC闪存和5年DWPD＞20的SSD会慢慢淡出主流市场。不过我们无需因此对闪存寿命有太多担心，因为按照半导体存储介质自身的特点，生命周期总写入量（PBW）又和SSD容量成正比，DWPD低可以用容量来补。比如说目前DWPD=25的SSD常见容量有400GB，其总写入量为18.25PB；DWPD=10的SSD容量已达1600GB，总写入量已高达29.2PB。

本文到此先告一段落，在下篇中将继续分析全闪存阵列的写入负载，包括SPC-1这样的极限性能测试，以及更加贴近大多数用户的计算模型。希望能够对大家选择不同等级/容量的SSD带来参考。