解读固态硬盘的“4K性能”

　　在谈到固态硬盘性能的时候，大家都会想到非常重要的“4K性能”，即4K随机读写IOPS。作为系统盘使用时，固态硬盘执行的读写操作中，4K随机读写占据了相当大的份额。

　　“4K性能”受哪些因素影响呢?闪存没有机械活动部件，随机读写的效能比机械硬盘高出许多，但依然会受一些因素的制约，譬如闪存读写延迟、LUT(Look up table)效率。闪存的读写延迟基本是固定的，而LUT效率就成了影响固态硬盘“4K性能”的主要因素。

　　LUT填补了闪存与针对传统机械硬盘设计的文件系统之间鸿沟，解决闪存不能覆盖写入、擦写次数存在限制等问题。LUT可以被当成是一张逻辑地址(文件系统)与物理地址(闪存单元)之间对应关系的查找表。

　　根据LUT表的存储位置，固态硬盘可以分为有外置缓存和无外置缓存(DRAM-less)两种类型，后者因为省去了固态硬盘当中的DRAM芯片，在性价比上拥有更好的表现。但省去DRAM缓存理论上会对“4K性能”产生一些不利影响。下图是东芝TR200固态硬盘，采用当前主流的DRAM-less无外置缓存方案。

　　DRAM-less方案也有LUT表，存储在主控内集成的高速、小容量SRAM缓存当中。两种方案的工作模式类似于字典中拼音和部首两种检字法。

　　拼音检字表：有DRAM缓存，大脑中对字的读音已经了解，可以快速查到这个字的释义所在页码。

　　部首检字表：无DRAM缓存，需要先找到部首，然后根据比划数量最终找到页码，等于查了两次表，完整的Look up table需从NAND闪存上读出。

　　当然事无绝对，东芝TR200主控内置了高达32MB容量的高速SRAM缓存，按照1MB:1GB的标准LUT容量，能够覆盖32GB容量的闪存空间，相当于常用数据无需二次查表，LUT效率提升的结果就是“4K性能”的大幅改善。由于SRAM比外置DRAM缓存速度更快，东芝TR200的4K单线程读取速度达到了52MB/s以上。

　　PCMark 7和PCMark 8存储测试成绩也表明TR200具备不俗的性能，说明只要主控硬件和固件设计得当，无外置缓存(DRAM-less)并不会给固态硬盘实用性能造成影响。

　　在RC100和BG3/4固态硬盘中，东芝还充分利用了NVMe协议中的Host Memory Buffer主机内存缓冲特性，通过借用主机内存中的一小段专用空间存储LUT表，实现了更高性价比的设计目标。