测试探究SSD固态硬盘性能下降的谜题

众所周知，随使用时间的推移，SSD的性能会逐渐下降，特别是早期SSD产品更是如此，新的控制器通过各种技术有效缓解了这个问题。在这篇文章中，我们将执行一些企业级SSD基准测试，通过对比前后测试结果，加深对SSD性能下降的理解。

SSD性能问题回顾

前面我们分析了SSD性能问题的一些根源，晶体管的设计，底层NAND芯片的设计，以及SSD硬盘自身的设计都是其性能下降的根本原因。

在回顾SSD硬盘结构部分，我们曾介绍过SSD是以块为单位进行擦除的，大小通常是512KB，这意味着如果某个块上的一个页面(4KB)发生了变化，整个SSD都需要重写，重写过程需要经历漫长的“读-修改-擦除-写”周期，“读”通常指的是将块上的所有数据读入到缓存中，接着将“修改的”数据和缓存中已有的数据合并，然后“擦除”那个块上的全部数据，最后将缓存中的新数据“回写”到已被擦除的块上。

有人认为这个过程应该不需要多长时间，但SSD的擦除速度要比读取速度慢好多倍，导致整个“读-修改-擦除-写”周期花费的总时间变长。更糟糕的是，“读-修改-擦除-写”周期会产生一个所谓的写放大系数，它指的是即使是块上单个页面发生变化或更新，也会导致使用额外的写周期，理想情况下，写放大系数应等于1，即向存储介质写入数据时，不需要额外的写周期，如果写放大系数大于1，则意味着向存储介质写入数据时，不止发生一次写入操作，早期的SSD写放大系数通常是远远大于1。因此不要忘了SSD的写操作周期的限制，SLC SSD大约是10万次，MLC SSD大约只有1万次。

SSD硬盘制造商其实早已知道这些问题，它们已经想出许多方法来克服这些问题，写放大系数也变得越来越接近于1。其中一种技术叫做写合并，控制器将多个写操作收集到一起，然后一次性将这些数据写入到SSD的块上。合并的目标是将多个小的写操作合并成一个大的写操作，大多数时候，相邻页面的数据会同时发生变化，这些页面很可能属于同一个文件。通过写合并技术，写放大系数大大减小了，SSD的性能也显著提高了，但这也与发送数据的方式，以及数据块是否同属于同一个文件，或是否在同一时间发生变化有关。

另一种技术叫做超量供给，它保留了一定数量的储备块，连操作系统也不可见，例如，假设一块SSD硬盘的总容量是75GB，只将其中60GB暴露给操作系统，剩下的用作保留块，相当于是一个可用块池，操作系统无法占用，它们只是用来帮助提高性能的，确保任何时候都有可用的块，避免应用程序将数据真实写入SSD之前不会因漫长的“读-修改-擦除-写”周期而产生性能瓶颈。这个技术也能间接提高SSD的使用寿命，因为有一部分块的写周期相比其它块而言要少，以后可以切换保留池中的块，有助于均衡SSD存储块的磨损。

第三个技术是所谓的TRIM命令，SSD最大的性能问题之一是，写操作发生在一个尚未擦除的页面上，这个时候，包含该页面的整个块都要被读入到缓存中，新数据和块中已有的数据合并，再擦除整个块上的数据(这个操作需要的时间最长)，最后将缓存中的数据回写到块上，这种“读-修改-擦除-写”过程需要的时间比仅仅只有“写”操作的时间要多得多，TRIM命令告诉SSD控制器，当一个页面不再需要时，就将其标记为擦除，这样SSD控制器就可以将新数据写入到一个干净的页面上，从而避免完整的“读-修改-擦除-写”周期，只留下“写”周期，因此整体写入性能要好得多。

这些技术不同程度地提高了SSD的性能和使用寿命，在设计时需要进行权衡和取舍，因为它们需要更精密的控制器，因此设计和制造成本会更高，超量供给还会使硬盘的可用容量减少，SSD制造商必须综合考虑它们的优缺点，同时兼顾性能和成本，才能设计出性价比很高的产品。

在这篇文章中，我要测试一款企业级SSD驱动器：英特尔X25-E，我会先执行一些基准测试，然后执行一些I/O密集型测试，最后再执行基准测试，通过对比两次基准测试结果，找出性能下降的迹象。