極速存儲

對于計(jì)算機(jī)行業(yè)來說，技術(shù)的進(jìn)步尤為關(guān)鍵。不過，新的技術(shù)、新的產(chǎn)品不斷地推陳出新，但它們頂多只有幾年的黃金歲月，很快它們又將落后而最終被淘汰。對于固態(tài)硬盤來說，這樣的黃金歲月在未來幾年即將來到，界時(shí)硬盤將能夠讓我們的系統(tǒng)在按下電源按鈕后，即刻就加載完畢，打開一個(gè)大型的應(yīng)用程序，例如Photoshop，系統(tǒng)將馬上進(jìn)入可用的狀態(tài)，我們不再需要停在加載提示界面等待，軟件的主界面將馬上出現(xiàn)。除此之外，拷貝和移動(dòng)一個(gè)高清影片，我們也不會再看到拷貝進(jìn)度的提示信息，因?yàn)檫@根本不需要，操作將馬上完成。

新的存儲革命將催生出新一代的固態(tài)硬盤，并通過更快的接口實(shí)現(xiàn)連接。目前，通過PCI-E（PCI Express）接口連接的服務(wù)器固態(tài)硬盤傳輸速率已經(jīng)是普通SATA接口固態(tài)硬盤的數(shù)倍，而這種高性能的產(chǎn)品將很快就能在個(gè)人電腦上看到。

新式固態(tài)硬盤速度之快最終將迫使Windows和Mac OS之類的操作系統(tǒng)改變設(shè)計(jì)。否則，操作系統(tǒng)將成為瓶頸。圣迭戈大學(xué)的一個(gè)Moneta項(xiàng)目研究小組為此進(jìn)行了大量的研究，實(shí)驗(yàn)證明，現(xiàn)有操作系統(tǒng)將影響新一代固態(tài)硬盤的存取速度，與此同時(shí)，他們也找出了在現(xiàn)有操作系統(tǒng)中如何盡可能避免影響性能的方法。不過，在此之前，還是先讓我們一起來了解一下新的存儲技術(shù)吧。

革命的起源

新技術(shù)、新硬盤

在未來幾年內(nèi)，技術(shù)的變化將使個(gè)人電腦的數(shù)據(jù)存儲帶寬達(dá)到4Gb/s。

一直以來硬盤是電腦性能的瓶頸，固態(tài)硬盤的出現(xiàn)使硬盤速度大幅度提升，人們開始感覺硬盤速度明顯快了，但是目前的硬盤接口仍然存在瓶頸。理論上說，SATA接口可以支持6Gb/s的傳輸速率，但是實(shí)際存儲速度卻達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)，即使目前市面上速度較快的固態(tài)硬盤OCZ Vortex 3，其最大的數(shù)據(jù)吞吐量也僅有600Mb/s左右。為此，我們需要更快的硬盤接口，新的SATA Express硬盤接口可以提供8Gb/s、16Gb/s甚至是更高的傳輸帶寬。而就在今年，支持1.6Gb/s帶寬的SATA Express也將在新電腦上出現(xiàn)。

SATA Express使用不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，更快而且更有潛力，目前，為服務(wù)器設(shè)計(jì)的固態(tài)硬盤已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3Gb/s的傳輸速率，而隨著今年新的PCI-E標(biāo)準(zhǔn)PCI-E 3.0進(jìn)入市場，這個(gè)數(shù)值將再翻一翻。不過，在解決了硬盤接口速度的問題之后，原有固態(tài)硬盤閃存單元能否也達(dá)到這樣的速度將成為新的問題。

實(shí)際上，目前的固態(tài)硬盤讀取速度比較理想，在短短40ns的時(shí)間內(nèi)可以讀取存儲頁數(shù)據(jù)約100 000次。但是寫速度很慢，特別是在重寫一個(gè)8KB的存儲頁時(shí)，最新的英特爾固態(tài)硬盤可能需要清除約2MB的存儲頁數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致耗費(fèi)額外的3ms的時(shí)間，而存儲頁的寫操作還需要1.2ms。不過，經(jīng)過寫入緩存以及控制芯片的智能化處理，通常用戶并不會太注意固態(tài)硬盤在寫入時(shí)速度的拙劣表現(xiàn)。

在所有的存儲介質(zhì)中，RAM模塊的速度最快，但是它們在斷電之后將丟失所有的數(shù)據(jù)。因而，只能夠作為內(nèi)存的存儲單元使用，而不能夠作為硬盤的存儲單元。而計(jì)劃中作為閃存（Flash）接班人的候選者大約有十幾名，其中的兩名候選者——相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）和可變電阻式內(nèi)存（Resistive Random Access Memory，簡稱ReRAM）將可以在2014年或者2015年正式投入市場。

PCM使用的材料結(jié)晶或模式重建取決于所施加的電壓，其寫操作類似于閃存，需要清空、重建、寫入，因而，其速度仍然無法與RAM相比。ReRAM則不同，其材料在施加電壓時(shí)對應(yīng)位值為1，施加反向電壓即可改變數(shù)值，因而，可以直接覆蓋并重寫數(shù)據(jù)，讀寫能夠?qū)崿F(xiàn)同速。目前，惠普、松下、三星和索尼等公司都在研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品，現(xiàn)在產(chǎn)品原型仍處于開發(fā)階段。

革命的阻礙

操作系統(tǒng)

Windows等操作系統(tǒng)無法有效地管理極速的存儲設(shè)備，操作系統(tǒng)必須重建。

坐在電腦前不耐煩地等待讀取數(shù)據(jù)或者應(yīng)用程序加載是許多電腦用戶共有的記憶，硬盤速度緩慢是導(dǎo)致體驗(yàn)不佳的主要原因。固態(tài)硬盤由于讀取的速度極快，基本上已經(jīng)改變了這種狀況，而為了適應(yīng)固態(tài)硬盤的操作方式，Windows 7等新的操作系統(tǒng)在檢測到固態(tài)硬盤時(shí)，將自動(dòng)停止SuperFetch和自動(dòng)碎片整理等為機(jī)械硬盤而設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施。與此同時(shí)，操作系統(tǒng)將在固態(tài)硬盤支持的情況下激活TRIM命令，這可以優(yōu)化固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)的寫入機(jī)制，但是這一切對于未來新的固態(tài)硬盤是不夠的。對于通過PCI-E接口傳輸數(shù)據(jù)的新一代固態(tài)硬盤，它需要操作系統(tǒng)做更大的改變，甚至完全重建。未來的固態(tài)硬盤除了速度更快以外，工作電壓也更低，能夠在單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多的操作，而目前包括測試中的Windows 8操作系統(tǒng)在內(nèi)，皆無法有效地管理如此快的硬盤。

Windows將阻礙存儲革命的步伐

圣迭戈大學(xué)的研究人員已經(jīng)建立了一個(gè)名為Moneta的項(xiàng)目來測試和研究新的固態(tài)硬盤在現(xiàn)有操作系統(tǒng)中可能受到的影響。起初，他們建立了一個(gè)使用DRAM模塊模擬的硬盤，模擬的硬盤采用8通道的PCI-E接口連接，可實(shí)現(xiàn)4Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。在2011年他們開始正式使用PCM模塊建立存儲設(shè)備進(jìn)行測試，其測試結(jié)果表明，包括Windows和Mac OS等目前所有的操作系統(tǒng)在內(nèi)，都無法有效地管理和操作新一代的固態(tài)硬盤，操作系統(tǒng)讀取和寫入數(shù)據(jù)的操作過程，耗費(fèi)的時(shí)間甚至比硬盤存儲這些數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間還要多。

Windows深層次的磁盤輸入/輸出調(diào)度程序架構(gòu)是導(dǎo)致出現(xiàn)這一問題的原因，調(diào)度程序負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)中所有的文件操作請求，并將請求排序執(zhí)行，避免數(shù)據(jù)擁擠和堵塞。對于一個(gè)速度緩慢的機(jī)械硬盤來說，該機(jī)制能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)與硬盤操作，對于系統(tǒng)和硬盤的性能提升非常有幫助。但是對于讀寫速度遠(yuǎn)比軟件執(zhí)行速度要快的硬盤來說，由于傳輸?shù)接脖P的數(shù)據(jù)都必須預(yù)先經(jīng)過調(diào)度程序，因此耗費(fèi)了額外的時(shí)間，所以必然影響硬盤的性能發(fā)揮。在Linux上調(diào)度程序可以優(yōu)化操作，收集排序列表中的幾個(gè)請求并將它們同時(shí)發(fā)送到硬盤驅(qū)動(dòng)器，然而，這個(gè)動(dòng)作同樣需要花費(fèi)一些時(shí)間，因?yàn)檎{(diào)度程序需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)額外的新線程，以提高處理速度。

直接發(fā)送到CPU進(jìn)行處理

系統(tǒng)在收到數(shù)據(jù)存儲請求并將數(shù)據(jù)發(fā)送到硬盤之后，負(fù)責(zé)操作的線程將休眠，并在硬盤完成任務(wù)之后重新激活，報(bào)告數(shù)據(jù)操作成功。這種方法對于僅有一兩個(gè)內(nèi)核的電腦來說是合適的，因?yàn)樵S多當(dāng)前運(yùn)行的線程往往需要完全占用CPU資源，但是在多核CPU上這樣的操作顯得有點(diǎn)多余。為此，Moneta刪除了調(diào)度步驟以消除操作系統(tǒng)的障礙，數(shù)據(jù)將直接發(fā)送給硬盤而不經(jīng)過任何排序，更不需要經(jīng)過編譯處理，數(shù)據(jù)存儲的調(diào)度工作完全由處理器和硬盤等硬件直接完成。并且，數(shù)據(jù)存儲線程會保持激活狀態(tài)，不需要休眠、等待或重新激活的動(dòng)作。

此外，Moneta開發(fā)商在硬盤驅(qū)動(dòng)中減少了一些處理過程，一個(gè)數(shù)據(jù)存儲的請求可能包含多個(gè)命令，以往硬盤驅(qū)動(dòng)需要收集這些命令并通過數(shù)據(jù)緩存區(qū)進(jìn)行處理，而這將耗費(fèi)一些額外的時(shí)間。Moneta直接設(shè)計(jì)為將所有請求限制為一個(gè)命令，并采用64bits的標(biāo)準(zhǔn)化長度，免去了內(nèi)存尋址和處理請求的額外時(shí)間。不過，上述優(yōu)化雖然可以加快數(shù)據(jù)傳輸速度，卻也將導(dǎo)致I/O操作數(shù)量急劇上升，但是對于Moneta這樣的未來存儲設(shè)備原型來說卻不是問題，它可以支持每秒約一億次的操作。

除了上面介紹的3項(xiàng)操作系統(tǒng)優(yōu)化之外，要獲得最佳的性能還需要第4項(xiàng)優(yōu)化。在x86架構(gòu)中，操作系統(tǒng)通過一定的機(jī)制觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲操作，系統(tǒng)內(nèi)核擁有最高權(quán)限，可以操作所有的硬件，而一般應(yīng)用程序的請求將需要一定的步驟來傳遞和執(zhí)行，這些操作都需要耗費(fèi)時(shí)間。此外，操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)同樣有著復(fù)雜的管理機(jī)制，比內(nèi)核模式下的直接數(shù)據(jù)存儲操作多占用很多不必要的時(shí)間。為此，Moneta開發(fā)者使用自行編制的驅(qū)動(dòng)程序繞過內(nèi)核，確保操作系統(tǒng)可以盡可能快地執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。使得諸如文件系統(tǒng)權(quán)限管理的信息處理工作與實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸相互獨(dú)立。在保留完整x86架構(gòu)安全模型以及內(nèi)核硬件接口權(quán)限檢查的同時(shí)，確保數(shù)據(jù)的實(shí)際存儲操作速度不受影響，而且，應(yīng)用程序能夠直接存儲已經(jīng)被打開的文件，不會因?yàn)闄?quán)限的管理操作延緩存儲的操作。不過，即使完成上述所有的優(yōu)化，也僅僅是讓操作系統(tǒng)盡可能少地影響新一代固態(tài)硬盤的性能，真正要實(shí)現(xiàn)我們在文章開始時(shí)所設(shè)想的極速效果，唯一的可能是重建操作系統(tǒng)。

存儲革命：第一階段

最新的固態(tài)硬盤執(zhí)行寫入操作時(shí)仍然需要耗費(fèi)不少時(shí)間，但是閃存的接班人PCM和ReRAM將有很大的改進(jìn)。

硬盤的速度即將快速提升

今天，服務(wù)器所使用的固態(tài)硬盤在速度方面已經(jīng)比個(gè)人產(chǎn)品要快許多。明年，相關(guān)的技術(shù)將被應(yīng)用到個(gè)人電腦領(lǐng)域，硬盤速度快速提升的時(shí)代即將來臨。

存儲速度比較

SRAM和DRAM的速度最快，但是不能用于長期儲存數(shù)據(jù)。閃存讀取速度快，但寫入時(shí)相對緩慢，其接班人PCM和ReRAM有更好的表現(xiàn)。

存儲革命：第二階段

當(dāng)前的操作系統(tǒng)將阻礙新一代固態(tài)硬盤發(fā)揮性能，必須重新設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)。

Moneta：快速存儲設(shè)備原型

圣迭戈大學(xué)項(xiàng)目使用閃存接班人PCM模塊建立存儲器，完全通過硬件來控制數(shù)據(jù)的存儲。

數(shù)據(jù)傳輸：各項(xiàng)操作需要的時(shí)間

在Moneta的快速存儲原型中，操作系統(tǒng)耗費(fèi)的時(shí)間比實(shí)際存儲數(shù)據(jù)的時(shí)間要多，下面是讀寫4KB數(shù)據(jù)時(shí)各項(xiàng)操作需要的時(shí)間。

4項(xiàng)優(yōu)化節(jié)省的時(shí)間

Moneta對系統(tǒng)的4項(xiàng)修改減少了操作系統(tǒng)對快速存儲設(shè)備的不良影響，成功加快了數(shù)據(jù)的存儲速度。

重建操作系統(tǒng)

當(dāng)前操作系統(tǒng)（左）通過內(nèi)核存儲數(shù)據(jù)，這樣做是安全的，但也是緩慢的。Moneta通過一個(gè)未來操作系統(tǒng)（右）模型，繞過內(nèi)核獲得最大的傳輸性能。

速度比較：小型數(shù)據(jù)傳輸

存儲多個(gè)文件時(shí)，很多硬盤無法達(dá)到最高速率，優(yōu)化過的Moneta原型明顯比目前的固態(tài)硬盤更有效率。