【FLASH存储器系列二十一】如何评估固态硬盘的性能？

        我们以三星消费级SSD 990 PRO为例进行介绍，下图为其产品配置：

        简单说明一下产品配置：990 pro容量有1T和2T两种规格，固态硬盘容量计算一般是1T=1000GB=1000000MB，与操作系统容量计算1T=1024GB不一样，使用M.2外形结构，SSD与主机的接口为x4的PCIE 4.0，协议支持NVMe 2.0，有时候大家会把M.2、PCIE、NVMe这几个概念搞混，这里明确一下M.2是外形名称，PCIE是硬件接口名称，NVMe是应用协议规范，不是说一个外形为M.2的SSD一定是NVMe盘，SATA盘也可以做成M.2的形状（key不同），大家一定要搞清楚每个名词的含义。这款SSD内部nand flash为三星自家的3D nand颗粒，存储单元为TLC，控制器为三星自研控制器，缓存颗粒1TB硬盘容量的为1GB缓存，2TB容量的为2GB缓存（容量越大，FTL映射表越大）。关于3D nand和控制器相关的内容，后面有机会再细讲。

        平时我们使用硬盘就是读和写，所以一款SSD的性能主要指的就是其读写速度，下图为990 PRO性能参数：

        在介绍性能参数前，先普及一下性能测试方面的基础知识：线程、队列深度、同步异步。

线程（逻辑线程）指的是同时有多少个读或写任务在并行执行，一般来说，CPU里面的一个核心同一时间只能运行一个线程。如果只有一个核心，要想运行多线程，只能使用时间切片，每个线程跑一段时间片，所有线程轮流使用这个核心。Linux使用Jiffies来代表一秒钟被划分成了多少个时间片，一般来说Jiffies是1000或100，所以时间片就是1毫秒或10毫秒。

        一般电脑发送一个读写命令到SSD只需要几微秒，但是SSD要花几百微秒甚至几毫秒才能执行完这个命令。如果发一个读写命令，然后线程一直休眠，等待结果回来才唤醒处理结果，这叫作同步模式。可以想象，同步模式是很浪费SSD性能的，因为SSD里面有很多并行单元，比如一般企业级SSD内部有8～16个数据通道，每个通道内部有4～16个并行逻辑单元（LUN、plane都支持交错操作），所以同一时间可以执行32～256个读写命令。同步模式就意味着，只有其中一个并行单元在工作，暴殄天物。

        为了提高并行性，大部分情况下SSD读写采用的是异步模式。就是用几微秒发送命令，发完线程不会傻傻地在那里等，而是继续发后面的命令。如果前面的命令执行完了，SSD通知会通过中断或者轮询等方式告诉CPU，由CPU来调用该命令的回调函数来处理结果。这样的好处是，SSD里面几十上百个并行单元都能分到活干，效率暴增。

        不过，在异步模式下，CPU不能一直无限地发命令到SSD。比如SSD执行读写如果发生了卡顿，那有可能系统会一直不停地发命令，几千个，甚至几万个，这样一方面SSD扛不住，另一方面这么多命令会很占内存，系统也要挂掉了。这样，就带来一个参数叫作队列深度。举个例子，队列深度64就是说，系统发的命令都发到一个大小为64的队列，如果填满了就不能再发。等前面的读写命令执行完了，队列里面空出位置来，才能继续填命令。

        一般衡量一款SSD的性能最直接的指标就是读写速度，通常用MB/S或IOPS来表示。MB/S指的是每秒的读写数据量是多少MB，可以简单理解为带宽；IOPS是指固态硬盘每秒进行读写（I/O接口）操作的次数，有同学可能有疑问了，这两种单位有没有换算关系，这与读写测试的文件大小有关系，举个例子，假设读取10000个1KB文件，用时10秒，那这个操作的带宽就是10000*1KB/10S=1MB/S，而IOPS=10000/10=1000，如果10000个2KB文件，用时10秒，那么带宽就是10000*2KB/10S=2MB/S，而此时IOPS仍为1000。所以硬盘随机读写性能指标如果用IOPS为单位，则需要指定测试文件的大小，由于NTFS文件系统对文件存取都是按簇分配的，一簇一般为4KB，所以SSD测试也用4KB的文件进行测试。

        硬盘的读写速度测试分为大文件顺序读写和零散小文件随机读写，随机读写又包括单线程随机读写，和多线程（这个指的是逻辑线程，不是物理线程）（或多队列）随机读写。一般用Q或者QD来代表队列深度如上图中的QD1表示队列深度是1，也就是单线程读写，一次只发起一个读写操作，QD32表示队列深度是32，不需要等SSD的反馈，一次连续发起32个读写操作。我们日常使用SSD的一般就是大文件的顺序读写，和操作软件时的单队列QD1到多队列QD8的随机读写（关于队列和线程的关系我目前还没理解得很清晰，大家有兴趣可以自行研究），我们可以看到三星这款SSD列出来了QD32和QD1的4KB随机读写速度和顺序读写速度，通过这几个指标就可以基本了解此款SSD的读写性能。

        不知道大家有没有发现，顺序读取速度比顺序写入速度要快，而随机读取速度比随机写入速度要慢，这个原因给大家3秒钟时间思考。

        OK，顺序读写都不需要闪存控制器去反复查找物理地址，一般只要给一个首地址就可以顺序读写下去，效率比较高，而nand flash的写入需要往浮栅中充入电子，这个需要消耗一定时间，而读不需要，所以读速度比写速度快。随机读的时候，控制器需要花大量时间去查FTL找到对应的物理的地址，而随机写的时候，控制器只需要往空闲block写即可，不需要反复去找写的物理地址，除非这是一块已经存满文件的脏盘来做这个测试，所以一般随机写速度比随机读要快。

        以上厂家贴出来的读写速度指标都是缓内速度。前面我们分享过固态硬盘的SLC cache，将TLC模拟成SLC来用，所谓缓内速度指的就是读写操作都在SLC cache范围内的读写速度，读取速度不受SLC cache机制影响，主要影响的是写入速度，使用HD tune pro软件测试可以看到，在SLC cache空间用完后，写入速度会显著降低。控制器会在后台将SLC cache中的数据搬运到MLC单元，腾出缓存空间，SLC cache一般是动态分配的，高端控制器会力求做到即使是极限脏盘情况下也不影响到写入性能。