讓硬盤飛一會兒

編者按：從2010年到2016年，高手論技欄目伴隨大家走過了一個又一個春秋，多年來，我們關注技術與應用的初衷從未改變。如今，在“互聯網+”的浪潮中，對新技術的探索、對成熟技術的創新應用、對不同技術的關聯性思考……我們仍在繼續。在此，主持人和嘉賓將分兩期探討固態硬盤的前世今生。

作為新生事物的固態硬盤（SSD），近年來突飛猛進，日益受到重視。雖然人們對它的壽命還有一些擔憂，價格相對來說還比較昂貴，但固態硬盤具有的速度快、無噪音、重量輕、能耗低、不怕震動等優點，廣為用戶青睞，大有取代機械硬盤之勢。如何把固態硬盤的性能都發掘出來，讓它更好地為用戶服務，是擺在我們面前的一個新的課題。

金琦：知己知彼——硬盤性能測試

換了固態硬盤，我們直觀的感覺是速度變快了。這個硬盤性能到底如何？花錢升級到底值不值？我們要通過一些軟件來進行測試、量化。

1.文件實際讀寫能力測試

最簡單的方法是在Windows系統中進行實際文件的復制和粘貼，拷貝過程中可以顯示出具體的速度。但因為Windows文件拷貝機制的問題，拷貝過程中速度變化非常大，這種方法只能作為粗略的參考。我們最常用的方法是使用FastCopy對一些數據進行拷貝。FastCopy是一款非常出色的文件拷貝軟件，執行完操作后將在左邊顯示完成拷貝用到的時間等數據，其中“傳輸速度”準確地體現了相應存儲器的實際讀寫能力，是測試實際硬盤速度的常用工具（如下頁圖1）。需要注意的是，不同大小的文件在拷貝時速度相差非常大，我們只有對各種體積的文件進行多次測試才能比較好地衡量一個硬盤的讀寫能力。

2.通用磁盤性能測試

ATTO Disk Benchmark是由ATTO公司出品的一款磁盤性能測試工具，該軟件使用從0.5KB到8192KB不同大小的數據包分別進行讀寫測試，測試完成后數據用柱狀圖的形式表達出來，測試結果非常直觀，一目了然，能體現出硬盤讀寫不同大小的文件的性能（如圖2）。它能對各種硬盤、U盤、存儲卡等存儲設備進行測試，主要體現了該設備的理論讀寫速度。

3.固態硬盤專用性能測試

AS SSD Benchmark是一款固態硬盤專用測試軟件，可以測試連續讀寫、4K對齊、4K隨機讀寫和響應時間的表現，并給出一個綜合評分。它不但可以檢測固態硬盤的速度，還可以檢測固態硬盤特有的性質，如是否4K對齊，是否打開了AHCI等，讓用戶能更加全面地了解該款固態硬盤。軟件測試結果的具體含義如下所述（如圖3）。

（1）Seq（連續讀寫）：即持續測試，AS SSD持續向受測分區寫入以16MB的尺寸為單位的數據，生成1個達到1GB大小的文件，然后再以同樣的單位尺寸讀取這個文件，最后計算出平均成績。

（2）4K（4k單隊列深度）：即隨機單隊列深度測試，測試軟件以512KB為單位尺寸，生成1GB大小的測試文件，然后在其地址范圍（LBA）內進行隨機4KB單位尺寸的寫入和讀取測試，直到跑遍這個范圍為止，最后計算平均成績給出結果。

（3）4K-64Thrd（4k-64隊列深度）：即隨機64隊列深度測試，軟件會生成64個16MB大小的測試文件（共計1GB），然后同時以4KB的單位尺寸，在這64個文件中進行寫入和讀取，最后以平均成績為結果，產生2GB的數據寫入量。

（4）Acc.time（訪問時間）：即數據存取時間測試，以4KB為單位尺寸隨機讀取全盤地址范圍（LBA），以512B為寫入單位尺寸，隨機寫入保留的1GB地址范圍內，最后以平均成績給出測試結果。

（5）Score（成績）：根據硬盤的讀寫速度，給出一個整體評價成績。

4.硬盤的IOPS

IOPS（Input/Output Operations Per Second），即每秒進行讀寫（I/O）操作的次數。對于固態硬盤，個人用戶往往更關心它的持續讀寫速度。而對于學校和企業等用戶，對用作服務器和數據庫存儲的硬盤，還要考慮對固態硬盤的4K隨機讀寫和IOPS才更有意義。因為4K隨機讀寫性能代表了硬盤的數據吞吐能力（單位為IOPS），與持續讀寫性能相對。在個人日常應用中網頁緩存的寫入、程序的加載、響應等都與隨機4K讀寫性能息息相關，可以說，4K讀寫的快慢決定了用戶對系統的操作體驗。對于學校來說，一個典型的例子，就是現在學校為了更有效地對教師和學生計算機集中管理和對辦公計算機數據進行數據保護，嘗試實施云桌面（VDI）項目。這就需要對支撐云桌面的存儲環境進行仔細規劃，以避免VDI啟動風暴的問題，即當大量的用戶同時登錄系統時所造成的系統反應非常緩慢，虛擬桌面的初始啟動則相當消耗資源，此時操作系統和應用需要從磁盤讀取大量的數據以加載和執行。一臺運行Windows 7的虛擬桌面在啟動時會產生50到100個IOPS，如果200個用戶同時運行就需要1到2萬個IOPS，這時應對的最好策略就是將用戶的系統盤鏡像數據放置在存儲的固態硬盤層面上，而將用戶私有數據（非系統盤數據）放在存儲的機械硬盤層面上以節約成本。AS SSD Benchmark這款軟件除了可以測試固態硬盤的讀寫速度外，還可以測試硬盤的IOPS。單擊菜單“View-iops”，再單擊“Start”，軟件將測試硬盤的吞吐能力。

邱元陽：硬盤性能的天花板——固態硬盤的接口

固態硬盤采用的接口決定了固態硬盤所能支持的最大傳輸速度，用戶要根據實際和需要進行選擇。例如，我們的計算機主板只支持SATA2，那固態硬盤再怎么樣也無法突破300MB/s的理論速度，固態硬盤的性能就會大打折扣。下面我們來看看固態硬盤有哪些接口。

固態硬盤從誕生至今，先后使用了多種接口，如IDE接口（PATA），目前仍然有廠商提供；ZIF接口（也屬于IDE）；SCSI（基本淘汰）；USB接口等。目前仍在使用的固態硬盤接口主要是SATA類接口和PCI-E類接口。

1.SATA接口

它是最常見的固態硬盤接口，這使得SSD與傳統機械硬盤接口可以兼容通用，大小多為2.5英寸。不過SATA接口的固態硬盤有使用SATA2的，也有原生SATA3的，前者速度肯定會慢一些。SATA接口的速率無法突破600MB/s，這成為SATA接口發展的最大限制（如圖4）。

2.mSATA接口

它是由SATA接口衍生而來的迷你版本SATA接口，尺寸小巧，為1.8英寸甚至更小，具有與SATA接口相同的速度與可靠性（如圖5）。

3.PCI-E接口

傳輸帶寬大，發展瓶頸小，能達到接近800MB/s的讀寫速度，適合高端大容量的企業級固態硬盤。這種接口的固態硬盤外形就像一塊顯卡（如圖6）。

4.NGFF接口（M.2接口）

Intel提出的一個新的接口標準，寬度和厚度一致性好，通用性高，預留帶寬大，發展瓶頸小，非常適合輕薄的超極本。采用PCI-Express x2傳輸標準的NGFF接口的固態硬盤，最大讀取速度可達到700MB/s，寫入速度為550MB/s，比mSATA傳輸速度更快（如圖7）。

NGFF接口現在一般都稱為M.2接口，用以取代mSATA接口，它在設計之初就留下了很大的兼容空間，既可以通過走PCI-E總線，輕易突破SATA3.0的性能極限，彌補mSATA SSD的不足，又可以通過走SATA3.0的6Gbps速率總線，降低生產成本，接替mSATA SSD停產留下的空缺。

當其走PCI-E總線時，無論是規格尺寸還是傳輸性能都遠勝于mSATA。然而讓人意外的是，SATA路線的M.2接口卻更讓廠家積極。

M.2可以根據金手指的缺口來定義接口模式，決定走PCI-E還是SATA總線。這兩個缺口分別為“B key”和“M key”，當接口僅使用“B key”時，傳輸模式為SATA或PCI-E 2x，當“B key”和“M key”一并使用時，傳輸模式變為PCI-E 4x，傳輸速率可達到4GB/s。

除了以上這些常見的接口，固態硬盤還有LIF接口、USB接口、SAS接口（企業存儲市場）、FC光纖接口、CFast接口和SFF-8639接口等。

劉宗凡：固態硬盤提速的秘訣——AHCI的啟用

在機械硬盤時代，我們并沒有過多注意AHCI技術。也許我們接觸到AHCI情況最多的是，在使用克隆系統安裝新系統后，啟動時會碰到藍屏現象。這時我們要進入BIOS（UEFI），將硬盤AHCI模式關閉（使用IDE模式或兼容模式）就好了。

AHCI（Serial ATA Advanced Host Controller Interface，串行ATA高級主控接口）是在Intel的指導下，由多家公司聯合研發的接口標準，它允許存儲驅動程序啟用高級串行ATA功能，如本機命令隊列和熱插拔。AHCI通過包含一個PCI BAR（基址寄存器），來實現原生SATA功能。在AHCI 1.0規范中，Intel引入了NCQ（Native Command Queue）功能和熱插拔技術。支持NCQ技術的硬盤在接到讀寫指令后，會根據指令對訪問地址進行重新排序，減少了讀取時間，使數據傳輸更為高效，同時也有效地延長了硬盤的使用壽命。和IDE模式相比，兩者產生的性能差距主要是由NCQ技術導致的。由于IDE接口是不支持NCQ技術的，所以使用IDE硬盤是否啟用AHCI是沒有區別的。在使用SATA硬盤時，兩者就有了一定差別。但如果是機械硬盤，有沒有開啟AHCI模式，性能差距并不明顯。而IDE模式下系統的兼容性很好，在性能損失不大的情況下，SATA機械硬盤基本上是在模擬IDE模式下工作，特別是使用GHOST封裝的系統，幾乎全部是采用IDE模式。在使用固態硬盤時，如果開啟AHCI模式，性能將得到30%左右的提升；尤其是如果為了衡量硬盤的吞吐能力（IOPS），在小文件下的差別非常驚人，能達到好幾倍的差別。因此，在使用固態硬盤時，開啟AHCI非常有必要。

1.在已經安裝好的系統中啟用AHCI

在已經安裝好系統的計算機中，如果原來是使用IDE模式（兼容模式），我們直接在BIOS中將其更改為AHCI模式，則計算機基本上避免不了藍屏。以下兩種辦法可以解決上述問題。

（1）使用SkyIAR軟件。SkyIAR主要用于解決系統部署（系統安裝）過程中，由于磁盤控制器IDE、AHCI、RAID工作模式所帶來的系統部署困難問題。同時，SkyIAR還可以有效解決“換硬件不換系統”“IDE改AHCI”等與磁盤控制器工作模式息息相關的問題。操作步驟為：①因為這款軟件只能在Windows PE下運行，所以首先要制作一個可以啟動系統到Windows PE的U盤，將SkyIAR拷到U盤；②進入BIOS，開啟硬盤的AHCI模式；③用U盤啟動到Windows PE，打開SkyIAR。軟件處于“精確匹配”模式（默認模式）時，SkyIAR會根據系統類型列出適合當前系統的IAR驅動列表，并自動檢測當前磁盤控制器的硬件ID，最后根據磁盤控制器ID自動在IAR驅動列表中選中可用驅動（如上頁圖8）。只要點擊“開始”，就會用當前使用模式的驅動更換原來的驅動，重新啟動系統就可以使用了。

（2）修改注冊表。修改注冊表的步驟為：①保持BIOS中硬盤模式為IDE，啟動計算機，在運行框中輸入“regedit”并回車，打開注冊表編輯器；②打開“HKEY_LOCAL_MACHINE＼System＼CurrentControlSet＼Services＼Msahci”鍵值，在右邊窗口中雙擊名稱為“Start”的項目，將默認的參數由3更改為0。點擊“確定”并且保存，隨后重新啟動計算機（如圖9）；③進入BIOS，將硬盤模式改為AHCI，然后啟動系統，Windows 7及以上系統將自動安裝標準串行模式AHCI1.0驅動；④下載安裝相應主板芯片所使用的AHCI驅動，或者使用驅動精靈之類軟件進行更新驅動。打開設備管理器，如果看到IDE ATA/ATAPI控制器下的是類似“SATA AHCI Controller”就成功了（如圖10）。

2.安裝系統過程中啟用AHCI

要在安裝系統過程中啟用AHCI，有兩個前提，或者相應的系統是修改版的已經集成了AHCI驅動（指Windows XP、Windows 7及以后本身已經集成了AHCI驅動），或者提前把AHCI驅動拷貝到U盤中，手動安裝AHCI驅動：①BIOS設定啟用AHCI；②準備好存有SATA AHCI驅動的磁盤；③開機啟動Windows XP安裝，當看到“Press F6 if you need to install a third party SCSI or RAID driver”信息時，立即按下F6鍵；④插入AHCI驅動程序的U盤，并按下S鍵，如果安裝程序識別出你的驅動盤，會自動提示出安裝選單；⑤請注意選擇x86（32位系統）還是x64（64位系統）平臺驅動，選擇后回車即可安裝AHCI驅動，完成后會自動回到Windows XP的安裝界面，繼續完成安裝。

邱元陽：容易被忽略的因素——4K對齊及其他

“4K對齊”就是符合“4K扇區”定義格式化過的硬盤，并且按照“4K扇區”的規則寫入數據。隨著時代的發展，硬盤容量不斷擴展，使得之前定義的每個扇區512字節不再是那么的合理，于是將每個扇區512字節改為每個扇區4096個字節，也就是現在常說的“4K扇區”。隨著NTFS成為了標準的硬盤文件系統，其文件系統的默認分配單元大小（簇）也是4096字節，為了使簇與扇區相對應，即使物理硬盤分區與計算機使用的邏輯分區對齊，保證硬盤讀寫效率，所以就有了“4K對齊”的概念。

當在一些特殊情況下格式化的系統（如用ghost11.5以下版本），會默認定義為4096字節大小為一個簇，但因為其引導區占用了一個磁道共63個扇區，真正的文件系統在63號扇區之后。

這樣在4K不對齊的情況下，寫入再小的數據也會涉及兩個扇區的操作，在固態硬盤中這個問題就比較嚴重了：SSD讀寫的最小單位叫“頁（Pages）”，在有數據的地方要寫入新數據，就需要先進行擦除操作，而擦除的最小單位是塊（Block，每個塊都由很多個頁組成）。

傳統的分區偏移尺寸一直是從磁盤的第63個扇區（63X512B=31.5KB）開始，因此第一個用戶數據的前4KB，都肯定是存放在系統“邏輯扇區”的31.5KB～35.5KB之間的。在SSD上，這就會導致所有數據都橫跨在2個頁之間，從上面SSD的特性可以知道，這種情況必然導致SSD的性能受到嚴重影響（特別是隨機性能），因為每次的寫入操作在SSD上都變成了“讀—擦—寫”操作。在4K不對齊的情況下，硬盤寫入速度差不多要降低一半。

檢查4K對齊情況：軟件AS SSD Benchmark在左上角會顯示4K對齊情況。如果顯示為1024K-OK（前面數字為1024的倍數都可以）表示4K已經對齊。DiskGenius在4.6以后版本專門提供了選項進行檢測：單擊菜單“工具→分區4KB扇區對齊檢測”，就會顯示檢測結果。

如何對齊4K：如果是新硬盤，使用Windows 7及以上系統安裝時對硬盤進行分區，這樣分出來的區都是4K對齊的，使用DiskGenius分區時默認也會選中4K對齊。對于已經安裝好系統或不能重新分區的硬盤來說，可以使用Paragon Alignment Tool來進行無損4K對齊。如果分區中數據比較多，對齊的過程是比較漫長的，100G數據可能要將近1小時。

除了4K對齊，就硬件方面來說，原生SATA3.0接口下固態硬盤才能充分發揮出它的性能。在操作系統方面，要確保使用支持Trim指令打開，也就是要使用Windows 7及以上系統。如果不得已必須要用Windows XP，可以看廠商有沒有提供相應的優化軟件，否則硬盤會越用越慢，嚴重影響硬盤的速度。

劉宗凡：壓榨固態硬盤的潛力——廠商優化軟件的使用

為了更好地發掘固態硬盤的潛力，要通過不斷的優化來提升它的性能。各大廠商大多開發了自己品牌的優化軟件，三星作為固態硬盤的領頭羊之一，旗下的優化軟件Samsung SSD Magician更是起著舉足輕重的作用（如圖11）。

Samsung SSD Magician的主界面會顯示磁盤的一些重要信息，如AHCI模式啟用情況、SATA類型、操作系統優化情況等。其中“寫入的總字節數”對我們估算硬盤的大概壽命有很大幫助。我的硬盤用了3個多月，寫入了1.6TB數據，對100GB的硬盤來說大概是16個P/E。以硬盤壽命為3000P/E這樣的保守估計，按照目前的使用頻率，這個硬盤可以用50年左右。所以大家放心使用就是，不用擔心硬盤的壽命。

下面我們來看看該軟件的一些核心功能：

①Performance Benchmark：性能基準測試?？梢詫虘B硬盤進行順序讀寫速度和隨機讀寫吞吐（IOPS）測試，并且可以對比主流硬盤的性能。如果達不到平均性能，那就需要對硬盤進行一定的優化了。軟件還可以對機械硬盤進行基準測試，對比兩者的結果，更能看出固態硬盤的巨大優勢。

②Performance Optimization：性能優化。這個功能是當操作系統不支持TRIM功能時使用的，如堅守在Windows XP的系統就需要進行優化。

③Firmware Update：固件升級。軟件自動查找新固件，如果發現有更新可用，只要單擊“更新”按鈕，軟件便會自動下載安裝固件，操作非常簡單。

④OS Optimization：操作系統優化。在操作系統中對固態硬盤產生影響的因素不少，如果不是非常熟悉操作系統，有些優化就會遇到困難。軟件提供了“最高性能、最大容量、最高可靠性”三個模式供用戶選擇，選中后只要單擊下面的“應用”按鈕就可以完成，一鍵傻瓜式操作。對系統比較了解的用戶還可以選擇“高級”模式，手工去開啟、關閉某些選項。

⑤Over Provisioning：預留空間。在固態硬盤分區時留一些空間不用，可以在一定程度上優化硬盤的性能、延長硬盤的使用壽命。如果在分區時沒有預留，這個選項可以在固態硬盤的最后一個分區劃出大概10%的空間保留下來。

⑥Secure Erase：安全刪除數據?？焖佟⒂谰玫夭脸脖P上的所有數據，對于要求安全銷毀數據的場合很有用。

⑦RAPID（Real Time Acceleration Processing of I/O Data）Mode：RAPID模式。所謂RAPID模式，其實并不新鮮，就是將大內存的某些部分虛擬成一個硬盤，將頻繁讀寫的操作放在這個虛擬硬盤進行，極大地提升固態硬盤的性能。由于內存的讀寫速度遠遠超過固態硬盤，所以性能的提升是非常驚人的，大概可以提升100%以上。雖然用戶也可以通過Ramdisk等軟件來實現，但三星自己的軟件無疑穩定性更強、操作更簡便。對于內存在8G及以上的用戶來說，RAPID模式非常有用。

⑧Data Security：數據安全。軟件提供了“Class 0、TCG Opal、Encrypted Drive”三種模式來增強數據的安全性。

Intel SSD Toolbox也是一款非常出名的固態硬盤優化軟件，提供了與Samsung SSD Magician類似的功能，對于固態硬盤的優化是非常明顯的。閃迪（SanDisk）的SSDToolkit、饑餓鯊（OCZ）的OCZToolbox、浦科特的Plextool等，都對自家的固態硬盤提供了監測、診斷、升級、優化等功能，對優化固態硬盤提供了很好的方案。用戶在購買固態硬盤時不妨關注一下有沒有官方優化軟件提供。如果官方沒有提供，我們可以安裝第三方軟件SSD Fresh來進行優化。

硬盤在不斷提高轉速、提高單碟容量等更新過程中，機械硬盤已經快達到它的極限。固態硬盤的出現，是一次顛覆式創新。雖然它還有一些小問題存在，但瑕不掩瑜。當它的性價比一步步逼近機械硬盤時，就是固態硬盤取代機械硬盤的時候。用好固態硬盤，提升辦公效率，對我們來說也是一件幸福的事。