SSD的性能基准
Source: Dave Raffo, A primer on SSD response time, other performance benchmarks, 16 Mar 2022
当供应商声称其SSD存储系统的性能已达到 100 万 IOPS 时，这不再是大新闻。尽管如此，用户可能很难理解这些数字的含义以及已发布的SSD性能基准与企业存储性能问题的关系。
数据存储供应商不遗余力地展示其产品的高性能，并向存储运维主管证明他们的产品可以处理大量的数据中心活动。SSD供应商开始发布SSD性能基准测试，以演示1U或2U固态存储设备如何超越具有数千个驱动器的大型企业级存储系统。供应商还希望证明，他们不仅可以在如此小、高效的占用空间内实现 100 万 IOPS，而且成本仅为高端存储阵列的一小部分。
但是，竞争环境远非公平。例如，高端存储系统拥有其他固态存储产品无法比拟的数据保护和数据管理设施。许多因素都会影响实际性能。客户端、主机、网络连接、存储控制器和主板会影响速度，因为驱动器在通常联网的存储阵列和服务器中运行。
提供基于控制器的存储的供应商一直在重新设计其存储控制器，以处理当今 SSD 提供的更高性能容量。动态分层功能使SSD存储层能够自动为高度活跃的数据提供服务。如果正确配置和调整，这可以大大提高工作负载的性能。不常访问的数据仍存储在磁盘介质上，以最大限度地降低成本。
了解SSD性能以及如何衡量SSD性能，可以阐明该技术如何潜在地提高任务关键型应用程序的性能，并在IT基础架构中发挥重要作用。
基准测试与负载生成器
要了解 SSD 性能基准测试，首先了解基准测试和负载生成器之间的区别非常重要。通常，负载生成器被误认为是基准测试，因为管理员可能会使用负载生成器来创建基准测试。然而，两者之间有明显的区别。
基准是具有报告规则和固定度量方法的固定工作负载，因此无法更改特征。行业标准基准施加了进一步的限制，通常由独立的审查员确保结果的合规性。这确保了用户在类似产品之间获得一对一的比较。目前有两个标准机构为存储提供行业标准基准：存储性能委员会 （SPC） 和标准性能评估公司（SPEC）。SPC 测量块存储，SPEC 测量文件存储性能。
负载生成器模拟所需的负载以进行性能表征，并帮助揭示系统或产品中的性能问题。这些生成器具有“旋钮”，用于调整所需的工作负载特征。性能专业人员和测试组织使用它们来验证产品的既定规格。结果通常无法与其他供应商的结果进行比较，因为在测量被测系统时，无法保证测试条件是相等的。
重要的是要注意这些差异，因为供应商可能会在不同条件下衡量其IOPS结果。
固态硬盘基准测试的类型
常见的 SSD 基准测试衡量以下内容：
IOPS：该指标衡量 SSD 每秒可以处理的读取和写入次数。IOPS 越高越好。
吞吐量：SSD的数据传输速度，以每秒字节数为单位。吞吐量越高越好，尽管吞吐量受文件大小以及读取和写入是随机还是顺序等元素的影响。
延迟：处理 I/O 操作所需的时间。此过程转换为 SSD 响应时间，以微秒或毫秒为单位进行测量。延迟越低越好。
成本：价格也可能是购买 SSD 时的一个因素。成本考虑因素包括每 IOPS 美元、每瓦特美元和每机架单位美元。已发布的 SPC 基准测试结果包括按性能计算的价格数字。
影响 SSD 响应时间的因素
固态存储具有独特的行为特征。由于 SSD 没有移动部件，因此 HDD 指标（如旋转延迟和寻道时间）不适用于 SSD。由于消除了这些延迟，因此SSD响应时间通常以微秒为单位，而HDD的响应时间则以毫秒为单位。用户必须了解如何执行这些测量，以确保报告的结果代表可验证且可持续的性能水平。平均而言，SSD 响应时间比 HDD 随机写入响应时间快 10 倍。
SLC SSD 的访问时间比 MLC SSD 快。基于 DRAM 的固态存储目前被认为是最快的，平均响应时间为 10 微秒，而不是其他 SSD 的平均 100 微秒。NAND 内存已从 SLC 发展到 MLC，再到 QLC。每个单元的位密度每增加一次，都会降低这些SSD的整体价格，但也降低了性能和耐用性。SLC SSD的访问时间最好，QLC访问时间最差。
两个具有相似性能的 SSD 驱动器在数据中心的性能并不总是相同。驱动器的接口、每个单元的位数、软件和存储协议也会影响整个存储系统或服务器的性能。
NVMe 是 SSD 最快的接口，因为 NVMe 使用 PCIe 总线而不是较慢的 SATA 接口总线。PCIe 4 可以使用 32 个通道来传输数据，而 SATA SSD 则为四个通道传输数据。NVMe SSD 旨在减少闪存延迟和 SSD 响应时间。
光纤通道仍然是性能最高的协议，但 SAS 也不甘落后。大多数围绕 iSCSI 和 SATA 构建的 SSD 产品不会产生 100 万 IOPS 结果，除非它们具有其他缓存功能来帮助提高性能。
固态存储在 I/O 路径中的位置也可能是产生一百万 IOPS 结果的一个因素。如果驱动器位于离主机较近的位置，则微秒级 SSD 响应时间更容易实现。许多供应商已经利用PCIe SSD和闪存卡来利用这一事实，这些PCIe SSD和闪存卡可以插入内部HDD等主机。
固态存储性能测量
以下是展示持续固态性能的四个主要步骤：
创建一个共同的起点。固态存储需要处于已知的可重复状态。流行的常见起点是从未使用过的新SSD，或者在SSD上执行低级格式以擦除内容并将其还原到原始状态。
调节。固态存储必须处于“已使用”状态。在初始测量过程中，固态技术会人为地显示出高性能，这只是暂时的，不可持续。这些数字不应该被报告为固态真正持续性能的证明。例如，如果对存储运行随机 4 KB 写入操作大约 90 分钟，则应将存储置于“已使用”状态。根据制造商的不同，调节所需的传输大小或时间量可能会发生变化。
稳态。绩效水平将稳定下来，达到可持续的水平;这是应该报告的性能级别。
报告。报告级别很重要。如果未使用要求完全披露的标准基准，则需要最少的信息量。了解 I/O 的类型非常重要。大多数结果报告为 100% 随机读取，因为随机写入会降低性能。使用固态存储时，大多数随机写入工作负载的性能并不比 HDD 系统的性能更好。一些结果报告还披露了未完成 I/O 的数量，如果再加上报告的平均响应时间，这些信息将非常有用。
即使按照这些步骤来衡量固态存储性能，如果没有合理使用规则的比较标准，仍然很难比较结果。有关这四个步骤的更多信息，请访问存储网络行业协会的固态存储计划网站。
固态硬盘与其他存储的比较
SSD比磁带和HDD等存储介质更快，更昂贵。虽然 SSD 已取代 HDD 以满足大多数企业性能需求，但仍有更快的存储技术。DRAM提供最高的性能，也是最昂贵的。存储级内存 （SCM），在性能和价格上介于 NVMe 固态盘和 DRAM 之间。
SCM可以比NVMe SSD快三到五倍，并且没有与NAND闪存相同的磨损问题。但是，SCM 盘的成本可能是同类 NVMe 驱动器的五倍。价格因素将SCM主要降级为内存密集型应用，例如AI和机器学习。因此，虽然NVMe SSD被视为向SCM的过渡，但它们在当今的企业使用中仍然更为常见。