从2010 IDF 看英特尔固态硬盘现状及策略

 

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上周，2010 英特尔春季信息技术峰会(Intel Developer Forum，简称IDF)在京召开。作为服务器领域的大拿，英特尔对存储领域同样非常重视，在本次IDF上，英特尔举办了多场关于固态硬盘(SSD)、iSCSI、FCoE、万兆以太网、6Gb SAS等多场存储技术讲座。这其中英特尔对固态硬盘又尤为重视，在13号的会议上连续举办了四场固态硬盘的技术讲座，笔者恰好对固态硬盘颇感兴趣，遂借着参加IDF的机会，计划参加四场固态硬盘的技术讲座。四场讲座听下来，笔者对英特尔在企业级固态硬盘现状、发展策略、技术趋势有了一个大致的了解，在此把笔者的一些感受分享给大家。

　　 固态硬盘在云计算数据中心充当缓冲层

　　 虚拟化的普及得到了无论是用户还是厂商的普遍认同，随之而来的就是 数据中心在存储上需要更加快捷灵活的虚拟存储、更高的存储利用率以及能够做到无缝数据迁移。虚拟化给数据中心带来的本质变化以及数据中心存在的大量硬盘大大增加了数据中心的数据量及网络数据流，传统无论是SATA还是FC 磁盘因为数据量的迅速增加都需要更长的反应时间，数据中心需要利用固态硬盘快速响应、高IO处理能力的特性来满足数据增长带来的新需求。英特尔也认为数据中心及云计算需要利用固态硬盘来充当缓冲层，从而满足用户的需求。

　　

　　 图一：典型的云计算配置，缓冲层将对云计算和数据中心的数据处理带来重要的变革作用。英特尔认为在云计算数据中心中配置缓存阵列的缓冲服务器能够很好的满足缓冲层的需求。

　　目前英特尔为了满足数据中心缓冲层的需求，联合 IBM公司共同推出了缓冲服务器Schooner。Schooner缓冲服务器专门为云计算数据中心而设计，由于利用英特尔固态硬盘组成闪存阵列，因此服务器在性能上得到很大提升。英特尔技术专家James Myers还称Schooner缓冲服务器和现有的应用及管理软件完全兼容。

　　

　　 图二：Schooner缓冲服务器硬件平台结构。每个Schooner缓冲服务器采用两个四核至强5500处理器和英特尔X25-E SATA接口固态硬盘，具备较强的数据处理能力。并行的闪存控制器和8通道的千兆以太网卡使得Schooner在IO处理能力上得到很大提升，同时还具备较强的存储容量扩展能力。

　　Schooner缓冲服务器能够做到即插即用，多重柜子可以让单独的Schooner缓冲服务器建立在单一的设备上，这与 刀片服务器机箱中添加刀片服务器 模块道理一致。每个柜子具有数据缓冲模式或者持久层数据存储模式供用户选择，具备较强的数据复制以及可恢复能力。Schooner的这种设计使得其具备很强的在线交易(OLTP)和联机分析(OLAP)能力。

　　据悉，Schooner由英特尔和IBM联合研发，IBM负责制造、全球的销售及售后服务工作。

　　英特尔认为云计算数据中心需要添加专有的缓冲层来提升数据流的传输和处理能力，而事实上最近一两年，服务器内部基于PCI-E固态硬盘的兴起也是固态硬盘应用的一种潮流和趋势。对于基于PCI-E固态硬盘，英特尔又持何种态度呢？

　　 英特尔：看好基于PCI-E 固态硬盘的发展

　　最近一两年，以Fusion-IO、OCZ、Micon为代表的厂商，致力于以基于快速外设组件互联标准(PCI-E)技术的固态硬盘发展。基于PCI-E通道，使得PCI-E固态硬盘在响应时间、单盘的IO处理速度上更具优势，同时采用直插的方式也减少了外围组件的成本。英特尔技术专家Amber Huffman也表示了英特尔对基于PCI-E固态硬盘前景的看好。

　　

　　 图三：Gartner对各种接口形式的企业级固态硬盘的展望。从图中可以看出，价格昂贵的FC接口硬盘将逐渐消失，这也符合用户的使用趋势。而在未来的几年中，固态硬盘将大大的蚕食原先FC硬盘的市场份额。这其中，主要有三种形式：基于SAS接口的固态硬盘、基于SATA接口的固态硬盘以及基于PCI-E的固态硬盘。未来几年，这三种形式的固态硬盘将成为主流，并且基于PCI-E会在未来的市场中占据最大的份额。

　　当然，鉴于以Fusion-IO为首的厂商利用PCI-E固态硬盘快速崛起，众多 存储厂商也坐不住了(LSI最近也推出了基于PCI-E固态硬盘的解决 方案)，英特尔在表达看好基于PCI-E固态硬盘前景的同时，也认为PCI-E固态硬盘在驱动标准上缺乏统一标准。

　 NVMHCI—标准的故事

　　 英特尔技术专家Amber·Huffman明确指出：基于PCI-E的 固态硬盘目前在主机控制器接口(HCI)上还没有统一的标准，这导致每一个固态硬盘厂商都需要为其固态硬盘提供专门的驱动程序，标准的缺乏使得基于PCI-E的固态硬盘市场发展具有巨大的阻力，固态硬盘厂商需要为每个 操作系统配备一个驱动程序，这让基于PCI-E固态硬盘的验证周期和相应的成本大大上升，为此英特尔认为需要制定 企业级的NVMHCI(非易失性 存储主机控制器接口，Non-Volatile Memory Host Controller Interface，简称NVMHCI)标准。

　　存储时代张广彬对此认为，NVMHCI标准让他想起了2000年优盘的标准制定，当时不同的优盘，在操作系统使用需要不同的驱动程序，使用起来颇为不便，后来在操作系统中统一驱动程序之后，实现即插即用，使得优盘产业得以迅速发展。

　　富士通 X86服务器高级副总裁 Peter Seick也表示：HCI标准的问题导致我们 服务器产品和PCI-E固态硬盘的整合过程出现了一系列问题，NVMHCI标准的建立对PCI-E固态硬盘在企业级的应用发展至关重要，富士通希望标准能尽快建立。

　　

　　 图四：英特尔主推的企业级NVMHCI标准组织。为了解决NVMHCI标准问题，业界厂商正在联合制定，特别是应用于企业级PCI-E 固态硬盘的标准HCI(可编程寄存器接口)，从而让服务器能够更好的满足高IOPS的任务需求和使用环境。

　　英特尔技术专家Amber·Huffman认为，NVMHCI标准制定将使得基于PCI-E的固态硬盘产品具有统一、高效的驱动程序，每个操作系统只需要一个驱动程序，从而大大减少验证过程和上市时间。

　　

　　 图五：英特尔内部对Linux IO Stack的需求处理分析。Linux Stack采用AHCI接口，可达35000 Clocks /IO，明显的不足之处就是非缓冲型读取，每个2000Clocks(AHCI需要最少四个非缓冲性读取)，而企业级NVMHCI则在命令开始/结束时不需要非缓冲型读取，从而优化数据传输和响应时间。

　　基于PCI-E固态硬盘经过最近一两年的快速发展，目前众多厂商都有基于此的解决 方案，现在的情况跟以前优盘厂商众多的情况类似，NVMHCI标准制定迫在眉睫。包括英特尔在内的50多家厂商组成的组织将在今年4月份推出0.5版本，此后在7月份、9月份、10月份分别推出0.7版本、0.9版本和候选版本，初步成型的1.0版本将在今年11月份推出。NVMHCI标准只是英特尔在固态硬盘强调的一方面，NAND闪存接口标准则是英特尔强调的另外一个重要的方面。

　 ONFi 3.0—标准制定让速度增倍

　　闪存领域不同于 处理器领域， 英特尔的分量还没有达到在处理器的高度，去年爆出的英特尔 固态硬盘在Windows 7上TRAM缺陷就是一个很好的例子。面对 东芝和三星的竞争压力，英特尔再次祭出了标准化的招数，强调NAND闪存是唯一没有标准接口的消费类 存储器，NAND闪存接口标准化同样需要加快推进。

　　

　　 图六：开放式NAND闪存接口(ONFi)组织成立于2006年5月份，致力于推动NAND闪存接口的标准化，目前已有90多个成员。英特尔技术专家Amber·Huffman表示，目前ONFi组织目前的工作主要有两方面，从ONFi 3.0开始进一步提升NAND接口性能，从200MT/s到400MT/s，同时与ONFi 1.0和ONFi 2.0兼容;另外一个方面就是致力于零纠错码的NAND发展。将依赖于NAND制程的功能从控制器中剥离出来，以减轻主控的负担，使得NAND性能得到进一步提升。

　　

　　 图七：ONFi3.0将通过更短的信道(控制器到NAND芯片的距离)，信号间有更宽的间距，片内终止技术(ODT，ON-Die Termination)，互补时钟和数据滤波信号等技术提升NAND接口性能。

　　

　　 图八：片内终止技术(ODT)对ONFi 3.0至关重要。ODT能够让每个逻辑单元(LUN，芯片)可以作为任何卷的终止器，初始化的时候，每个LUN都根据其即将终止的卷来作相应设置。当指令发到一个卷的时候，其对应LUN会跟踪转台并在数据传输结束的时候及时终止。

　　英特尔希望通过NVMHCI和ONFi尽快标准化，一方面加快固态硬盘向更高性能发展，同时也利用标准化的过程，达到自身在固态硬盘领域的领导地位。当然，东芝和 三星以及其他厂商也并不会袖手旁观，结果如何？年内就会见分晓!

　 固态硬盘耐久性—不容忽视的重要因素

　　固态硬盘一直以其超高的性能、很小的体积以及超低的功耗收到人们的青睐，然而固态硬盘的价格和耐久性一直是用户所顾忌的因素，随着固态硬盘成本的逐渐降低，横越在用户面前的难题只有耐久性这一点。而耐久性决定了固态硬盘的使用寿命，这直接关系到用户的使用效果和成本。在此次IDF上， 英特尔也单独通过一个技术讲座来讲解固态硬盘耐久性。

　　

　　 图九：英特尔认为企业级固态硬盘的耐久性可以定义为硬盘寿命期内所能写入的随机数据的总量。当然，英特尔目前只有基于SATA接口的固态硬盘，所以英特尔所指的固态硬盘耐久性目前只是针对SATA接口的固态硬盘。英特尔基于SATA接口的固态硬盘目前主要有两种：X25-M(采用MLC技术) 和X25-E(采用SLC技术)，英特尔的企业级耐久性定义标准为：4KB随机写入，覆盖所有的逻辑块地址(LBA)，队列深入为32，写入缓存在开启状态。

　　影响固态硬盘耐久性的因素主要有：NAND闪存技术、写入负荷以及容量储备，下面将逐个介绍这三个因素对固态硬盘的影响。

　　

　　 图十：NAND闪存技术。目前NAND闪存技术主要有两种形式：SLC(单层存储)和MLC(双层存储)。SLC NAND具备两个电学状态，不同状态间有更大的间隔，因此具备更好的写入性能和数据保持能力;MLC NANS具备四个电学状态，每个结构单元有双倍的位密度，相对于SLC来说，在写入能力和纠错能力上较差，需要优化应用方法。

　　

　　 图十一：写入负荷对耐久性的影响。固态硬盘在顺序写入的时候，性能提升幅度最大。因此写入负荷为顺序还是随机都对固态硬盘的耐久性产生影响。

　　

　　 图十二：英特尔认为减少用户可用容量有助于耐久性的提升(备用空间容量增加)。英特尔举出例子：以160GB的X25-M固态硬盘，如果减少10%的容量，则可获取2.8倍的耐久性提升。

　　如何延长基于SATA接口的固态硬盘寿命，让固态硬盘具备更好的耐久性？英特尔给出了他们的答案。应该说英特尔提供的这方面的信息对于用户来说非常值得学习。

　　 英特尔与日立合作 年内推SAS接口固态硬盘

　　对于 企业级的固态硬盘来说，仅仅拥有基于SATA接口的固态硬盘是无法立足企业级市场。英特尔虽然凭借NAND技术上积累的经验在基于SATA接口的固态硬盘取得了较大的成功，但如果没有支持双端口的SAS固态硬盘，那在未来的企业级固态硬盘市场上毫无竞争力可言，英特尔并没有自己的SAS控制技术，因此英特尔选择与日立合作，双方共同研究基于SAS接口的固态硬盘。

　　

　　 图十三：英特尔在此次IDF上给出了SAS接口固态硬盘的简单示意图。英特尔希望利用他们在NAND闪存技术和日立在企业级硬盘经验结合起来，双方共同研发基于SAS接口的固态硬盘。改产品以日立公司的产品推出，由日立公司负责全球的销售和支持。

　　

　　 图十四：英特尔与日立合作的基于SAS接口的固态硬盘使用SLC方式，并预留更多的备用空间来提升性能和可靠性，双端口的6GB SAS接口(双端口的SAS控制器完全独立，任何端口出错的情况下，剩下那个端口能够接替它继续工作)，T10端到端的数据保护，具备数据纠错能力和断电检测保护(循环冗余校验码跟用户数据一并写入NAND中)。

　　 总结：

　　英特尔IDF大会对于那些用户、开发者来说的确是很好的学习机会。英特尔在此次IDF大会上安排了众多技术讲座。在固态硬盘方面，我们不仅了解到英特尔认为的在固态硬盘方面的趋势和方向，还能够了解到一些固态硬盘的实用技术和方法，以及英特尔在固态硬盘上的市场动态。作为一个开放性的厂商，英特尔并不仅仅去大谈一些口号性的东西，而是从实际出发，安排多场较为实用的技术讲座来满足参会人员的需求。笔者通过此次IDF，在固态硬盘方面收获颇多，在此也需要感谢IDF所提供的学习机会。总体来说，英特尔IDF的确是非常值得参加的会议。