HDD和SSD 存在本質差異

時間：2022-04-27 15:48:01 | 來源：行業(yè)動態(tài)

時間：2022-04-27 15:48:01 來源：行業(yè)動態(tài)

HDD和SSD兩種存儲介質

HDD（硬盤驅動器）是通過機械旋轉加磁介質記錄數(shù)據(jù)的，而SSD則通過硅晶半導體記錄數(shù)據(jù)。二者記錄數(shù)據(jù)方式的差異，決定了兩種類型的盤在存取速度和可靠性方面具有本質差異。

首先，NAND 閃存（也稱NAND Flash）的存儲原理是利用量子力學的隧道效應。

經典物理學認為物體越過勢壘，需要有一定的閾值能量，物理能量小于此閾值能量則不能越過，大于此閾值能量則可以越過。就像騎車爬坡一樣，車必須要有一定的能量才能越過山坡。而在微觀的量子力學里，即使粒子能量小于閾值能量，但是當很多粒子沖向勢壘，會有一部分粒子反彈，也會有一些粒子能過去，就像是穿過一個隧道，這就是量子力學里的隧道效應。在通常的情況下，隧道效應并不影響經典的宏觀效應，因為穿越隧道的幾率極小。但是在人為制造的特定條件下，宏觀的隧道效應也會出現(xiàn)。

NAND的存儲單元為三端器件，與場效應管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。浮柵極是用來保存電荷的的，浮柵極與硅襯底之間是隧道氧化層，與控制柵極間也有一層絕緣層，上下兩層絕緣層保護浮柵極中的電荷不會泄漏。采用這種結構，使得存儲單元具有了電荷保持能力，通過讓絕緣浮柵極捕獲不同數(shù)量的電子以實現(xiàn)bit值定義。這就像裝進瓶子里的水，當你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以閃存具有記憶能力。

浮柵極的充放電，是利用量子隧道效應實現(xiàn)的。當我們要對Flash進行寫入操作的時候，在控制柵極上加高電壓，源極和漏極接地，使電子穿越隧道氧化層到達浮柵極，并聚集在浮柵上保持，形成電壓，用來存儲信息。進行擦除時仍利用隧道效應，把電壓反過來加，從而消除浮柵上的電子，達到清除信息的結果。

由于在寫入和擦除的操作過程中，電子反復來回穿越隧道氧化層會損壞隧道氧化層，當絕緣氧化層破壞到一定程度，浮柵極中的電荷便不能再有效保持，導致存儲單元物理損壞。這就是NAND Flash會有寫入次數(shù)限制的原因。

其次，HDD存儲數(shù)據(jù)的實現(xiàn)原理和Flash完全不一樣，HDD由磁頭和盤片組成，數(shù)據(jù)存放在盤片上的某個位置，當對數(shù)據(jù)進行讀寫，需要將磁頭移動到磁道上，盤片轉動到指定的位置。所以HDD是一個機械設備，只要加電，磁盤就處于高速旋轉工作狀態(tài)。磁介質本身的壽命是非常長的，所以磁盤的壽命并不取決于讀寫的數(shù)據(jù)量，而取決于磁盤的上電時間。不過，磁盤的壽命跟工作環(huán)境有很大的關系，比如震動對磁盤的壽命影響就非常大。

對比SSD和HDD的工作原理，會發(fā)現(xiàn)二者的故障模式有非常大的差異。傳統(tǒng)的磁盤較少壽命限制，而閃存盤需要對SSD的壽命管理進行精細設計，以實現(xiàn)全閃存存儲的介質生命周期管理。

浪潮智能全閃：六招實現(xiàn)SSD介質全生命周期管理

浪潮智能全閃G2-F通過多項減少寫放大的算法優(yōu)化可以減少SSD數(shù)據(jù)寫入量，從源頭上提高SSD的使用壽命。但減少寫入只是保障可靠性的一個方面，對于各種原因導致的部分SSD出現(xiàn)壞塊，還需要及時的檢測、預測和處理。

招數(shù)1：T10 DIF 防止靜默數(shù)據(jù)損壞

出了問題首先要能檢測到，這就是防止靜默數(shù)據(jù)損壞。未被檢測到的靜默數(shù)據(jù)損壞會導致業(yè)務系統(tǒng)的嚴重后果。

T10 DIF(Data Integrity Field，數(shù)據(jù)完整性域)是用戶數(shù)據(jù)的一種端到端的保護機制，寫入數(shù)據(jù)的時候在數(shù)據(jù)塊末尾加入PI(Protection Information，保護信息)字段，存放數(shù)據(jù)的校驗信息。當存儲端接收到帶有PI的數(shù)據(jù)之后，會將PI信息保存起來，這樣在讀取的時候會重新計算，使得掉電、硬重啟、卷重啟、鏈路丟失等都不會導致PI數(shù)據(jù)的丟失。浪潮智能全閃G2-F全系列通過支持T10 DIF檢測，杜絕了靜默數(shù)據(jù)損壞。

招數(shù)2：SSD壽命預測提供事先警告

既然SSD壽命有限，SSD什么時候臨近壽命終點、什么時候需要更換，就成為用戶和存儲系統(tǒng)管理員最關心的事情。全閃存存儲需要在SSD臨近壽命極限時對用戶進行預警，給用戶預留更換乃至采購替代品的時間。同時，如果用戶的業(yè)務模型、業(yè)務流量和初始設計時發(fā)生了巨大變化，存儲系統(tǒng)也需要給出預警信息，讓用戶采取措施調整業(yè)務模型或者數(shù)據(jù)布局，將大流量的數(shù)據(jù)寫入業(yè)務遷移到其他存儲上。這些必要的功能在浪潮智能全閃G2-F系列產品上進行了全面配備。

其一，監(jiān)測壽命衰減速度。浪潮智能全閃G2-F定時檢查SSD使用壽命百分比，壽命衰減速度過快時會上報并告警，提醒用戶SSD盤異常，建議更換或者改變業(yè)務模型。

其二，實時監(jiān)測使用壽命。當SSD盤使用壽命達到97%，系統(tǒng)會建議用戶更換SSD盤；達到99%，會警告用戶及時更換SSD盤

其三，智能剩余生命周期預測。浪潮智能全閃G2-F會根據(jù)用戶業(yè)務歷史流量及模型，對SSD可使用時間進行預測，并根據(jù)用戶業(yè)務模型的變化，實時調整預測周期。當預測到SSD剩余壽命大概為6個月時，會產生告警，提醒用戶關注SSD壽命。

招數(shù)3：RAID壽命預測與自動更換

當RAID（磁盤陣列）成員盤的壽命臨近極限時，系統(tǒng)會發(fā)出告警，使用CLI命令或GUI界面，檢查每個成員盤的"更換日期"字段，來確定需要更換的成員盤。如果RAID個別成員盤臨近壽命極限，只需更換個別成員盤，利用RAID冗余數(shù)據(jù)重建，更換盤后，RAID自動重建該成員盤。

當RAID多個成員盤壽命臨近時，系統(tǒng)自動更換RAID Group。浪潮智能全閃G2-F可以利用數(shù)據(jù)遷移功能自動將該RAID中的數(shù)據(jù)在線遷移出來，方法是直接刪除該RAID--數(shù)據(jù)遷移功能會先將該RAID上的數(shù)據(jù)遷移到存儲池的其他RAID上，然后再刪除。如果存儲池其他RAID上沒有足夠的空間，刪除會失敗，需要先向存儲池添加新RAID后再刪除。

招數(shù)4：健康檢查防患未然

浪潮智能全閃G2-F支持自動風扇調速、SSD自動降速等功能，從而使SSD保持在恒定的溫度下運行。溫度調整軟件提供溫度檢測功能，當溫度過高時提高風扇轉速，超過閾值溫度時，則上報、告警，并降低IO速率。同時，浪潮智能全閃G2-F還會監(jiān)測SSD的擦寫次數(shù)、擦寫錯誤次數(shù)、SMART信息、SSD性能統(tǒng)計、降級狀態(tài)DWPD、TBW等參數(shù)，檢測健康狀態(tài)并作為壽命預測的依據(jù)。

招數(shù)5：壞塊掃描、壞塊標記主動進行

相對于HDD，SSD的整盤失效概率很低，但是發(fā)生壞塊的概率還是較高的。除了被動的故障檢測外，浪潮智能全閃G2-F還支持主動的故障檢測，以提早發(fā)現(xiàn)壞塊。 RAID后臺程序定時對SSD做掃描工作，如果發(fā)現(xiàn)SSD出現(xiàn)medium error（介質錯誤），則會自動通過rewrite（重寫）的方式修復。對于空閑盤、熱備盤，使用SCSI verify命令檢查LBA，即檢查邏輯區(qū)塊地址是否可讀，不可讀時通過寫0修復，從而有效避免候選盤和熱備盤由于長期沒有讀寫而可能存在的潛在壞塊，熱備盤、候選盤巡檢可通過定義時間周期性地完成一次全盤檢測。

招數(shù)6：閃存分層實現(xiàn)數(shù)據(jù)流動和精細化管理

浪潮智能全閃G2-F的分層功能示意圖

SSD根據(jù)應用場景的不同，可以分為RI（讀取密集型）和WI（寫入密集型）類型。 RI SSD價格便宜，寫壽命低；WI SSD價格昂貴，但是可以支撐更多的數(shù)據(jù)寫入。浪潮智能全閃G2-F通過提供閃存分層功能將二者結合起來，在有效降低用戶使用成本的同時，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。

浪潮智能全閃G2-F還提供比SSD具有更好性能和使用壽命3D XPoint 存儲，用于熱點高密數(shù)據(jù)存儲。此外，冷數(shù)據(jù)、冰數(shù)據(jù)還可以推送到云端存儲，因而具有更低成本。

浪潮智能全閃G2-F通過上述1 2 1的四層分層，將不同熱度的數(shù)據(jù)進行精細化存儲。隨著時間變化，數(shù)據(jù)熱度逐漸減弱，浪潮智能全閃G2-F基于自動遷移策略，可以讓數(shù)據(jù)根據(jù)自身熱度在不同存儲層之間自由流動。

浪潮智能全閃G2-F的閃存分層技術針對全閃重新設計，采用ADR(auto data reallocate，自動數(shù)據(jù)重新分配)算法，充分考慮用戶IO的讀寫頻度和存儲介質的使用壽命，在同一個層級自動進行磨損均衡，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在全閃存存儲內全生命周期的流動和管理。

五款智能全閃，供企業(yè)靈活選用

浪潮智能全閃G2-F，通過全閃存盤和閃存算法優(yōu)化實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲的極致性能，又具備企業(yè)級數(shù)據(jù)平臺的高可靠性和高級功能，滿足IO密集型企業(yè)關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)存儲需求。目前G2-F系列包含五款智能全閃產品，分別是入門級AS2600G2-F、中端AS5300G2-F、AS5500G2-F和中高端AS5600G2-F、AS5800G2-F，可根據(jù)企業(yè)的應用模式和數(shù)據(jù)量級靈活選用。

當今社會，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等越來越多的實時交互應用，不僅帶來了數(shù)據(jù)的海量增長，更對數(shù)據(jù)中心的存儲性能提出了苛刻要求。毫無疑問，全閃存存儲將成為未來數(shù)據(jù)中心的主流存儲系統(tǒng)。順應這一潮流，浪潮智能全閃G2-F，可幫助企業(yè)在新數(shù)據(jù)時代為業(yè)務提速，推動企業(yè)級存儲的閃存化進程，實現(xiàn)企業(yè)智能化化轉型。