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技术文档

硬盘介绍篇

1.硬盘分类

1-1.接口类型

  • 早期硬盘接口有IDE、SCSI等，随着硬盘技术发展，这些接口类型已经消失；
  • 当前主流的硬盘使用的接口有SATA、SAS、FC（服务器未使用）、PCIE等
  • SAS和SATA接口区分：通过红圈2区分，SATA 硬盘红圈2部分是分开的；SAS是连接在一起的，且背面有金手指。

SAS/SATA 接口最大传输速率关系表
PCIE 接口

1-2.外观尺寸

HDD按照碟片的尺寸大小，即硬盘碟片直径分为： 1 inch、1.8 inch、2.5 inch、3.5 inch、5.25 inch。SSD虽然没有碟片概念，但尺寸大小和HDD是保持一致的。

***HDD主要尺寸

主流的硬盘中，有3.5寸和2.5寸2种，不同硬盘厂商的外形尺寸都在公差范围内，差异极小。

3.5寸：LFF，长*宽=147mm*101.85mm，企业级3.5寸硬盘的厚度一般为26.1mm 。

2.5寸：SFF，长*宽= 100.45mm*69.85mm ，企业级2.5寸硬盘的厚度一般为15mm 。

***SSD主要尺寸

主流的固态硬盘尺寸为2.5寸，不同硬盘厂商的外形尺寸差异微小。

2.5寸：SFF，长*宽= 100.45mm*69.85mm ，SSD的高度有7mm，9.5mm和15mm，各个厂家可能设计不同的厚度，但不会超过15mm。

  • 2.5寸偏重于性能表现，具有更高的IOPS和带宽；
  • 3.5寸偏重于容量，容量一般比同一代的硬盘大4倍左右，在2014年，硬盘厂商已经推出的最大容量为8T，目前容量可达14TB。

2.5寸和3.5寸HDD对比图

1-3.业务类型

2.硬盘的供应商

基于存储介质不同，硬盘分2类：HDD和SSD。

  • HDD供应商仅存3家：希捷，西数WDC（含WD和HGST），东芝；
  • SSD供应商较多，业内主流的供应商有Intel、Samsung、Micron、Sandisk、HGST、Toshiba、Seagate、华为等。

HDD硬盘供应商
SSD供应商

3.硬盘关键指标

  • 硬盘容量（Volume）
  • 转速（Rotational speed）
  • 平均访问时间*（Average Access Time）
  • 数据传输率（Date Transfer Rate）
  • IOPS(Input/Output Per Second)

硬盘容量（Volume）：容量的单位为兆字节（MB）或千兆字节（GB）。影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。

转速（Rotational speed）：硬盘的转速指硬盘盘片每分钟转过的圈数，单位为RPM（Rotation Per Minute）。一般硬盘的转速都达到5400RPM/7200RPM。SCSI接口硬盘转速可达10000－15000RPM。

平均访问时间*（Average Access Time）＝平均寻道时间＋平均等待时间。

数据传输率（Date Transfer Rate）

硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率包括内部传输率和外部传输率两个指标。

IOPS(Input/Output Per Second)

即每秒的输入输出量(或读写次数)，是衡量磁盘性能的主要指标之一。

随机读写频繁的应用，如OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。另一个重要指标是数据吞吐量(Throughput)，指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如电视台的视频编辑，视频点播等则更关注吞吐量指标。

4.HDD和SSD容量差异对比

HDD

NL SAS/SATA容量一般为250G的整数倍，目前主流容量有：

2.5inch：500/1000G

3.5inch：1/2/3/4/6T/8T/10/14TB

10K/15K SAS硬盘容一般为300G的整数倍，主流容量有：

2.5inch：300/600/900/1200G

3.5inch：300/600G（只有15K，2014年停产）

SSD

SSD的容量不太规范，各家差异较大。

MLC SSD的硬盘容量有：

80/128/160/240/256/300/480/512/600/800/960G

eMLC SSD的硬盘容量有：

100/200/400/800/1600G

TLC SSD硬盘容量相对比较大，3.6/7.2/7.68等容量比较常见，TLC磁盘的Over Provisioning占地都在>28%以上。

企业级较主流的应用是MLC/eMLC SSD；SLC因成本太高，应用都不广泛， TLC应用最为广泛，QLC因寿命上也不断提供，逐步走入数据存储市场；

提示：根据系统槽位数和业务需求容量，选择正确的容量适配。

5.磁盘功耗差异分析

  • SSD的功耗比HDD功耗略低（除PCIe-SSD外）；
  • 同类型HDD，3.5寸比2.5寸功耗高，且容量越大，功耗越大；
  • HDD转速（RPM）越高，功耗越大；
  • SSD的容量越大，功耗越大。

说明：此处记录硬盘随机读最大典型功耗，如果硬盘业务压力小，功耗要低很多。SSD的空载比工作低很多。

6.磁盘性能差异分析

  • 同类型的HDD，15K SAS >10K SAS> NL SAS/SATA，目前的接口速率不是性能瓶颈，而SSD，接口速率已经成为瓶颈，尤其是SATA SSD，6G/s的传输率已经不能满足需求。
  • 随机性能IOPS：15K SAS为NL的2倍以上，10K SAS为NL的1.5倍以上。15K比10K 高20%。
  • 同类型HDD，3.5寸硬盘IOPS比2.5寸低，最大持续带宽比 3.5寸高。
  • 顺序性能：15K SAS为NL的2.2倍以上，10K SAS为NL的1.5倍以上。15K比10K 高20%。

6-1.性能差异分析

  • SSD随机读/写IOPS比HDD高出近200倍，MLC SSD以优化读性能为主，写性能为HDD 的50倍左右。
  • SAS SSD因接口速率提升到12Gb/s，读写性能都有较大提升。
  • HDD转速越高，延迟越低；SSD的延迟远低于HDD。低延迟业务下，SSD更适合。

7.寿命及可靠性分析

8.硬盘类型

桌面级硬盘主要针对家庭个人应用，应用在台式PC、笔记本等领域；企业级硬盘针对企业级应用，主要应用在服务器、存储磁盘阵列、图形工作站等。

  • 容量：相比桌面级硬盘，企业级硬盘具备更大的存储容量，当前单硬盘最大容量可达4TB
  • 性能：主要体现在转速、缓存、平均寻道时间等
  • 可靠性：企业级硬盘具有更高的平均无故障时间（MTBF），一般来说桌面级硬盘的平均无故障时间大部分都在50万左右小时，企业级的都在100万以上。

9.主流硬盘类型

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。

10.硬盘关键指标

硬盘的性能指标包括硬盘容量、硬盘速度、硬盘转速、接口、缓存、硬盘单碟容量等。

  • 硬盘容量（Volume）: 容量的单位为兆字节（MB）或千兆字节（GB）。影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。
  • 转速（Rotational speed）:硬盘的转速指硬盘盘片每分钟转过的圈数，单位为RPM（Rotation Per Minute）。一般硬盘的转速都达到5400RPM/7200RPM。SCSI接口硬盘转速可达10000－15000RPM。
  • 平均访问时间*（Average Access Time）＝平均寻道时间＋平均等待时间。
  • 数据传输率（Date Transfer Rate）: 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率包括内部传输率和外部传输率两个指标。
  • IOPS(Input/Output Per Second)：即每秒的输入输出量(或读写次数)，是衡量磁盘性能的主要指标之一。随机读写频繁的应用，如OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。
  • 另一个重要指标是数据吞吐量(Throughput)，指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如电视台的视频编辑，视频点播等则更关注吞吐量指标。

11.SSD磁盘系统构成

SSD主要由控制单元和存储单元（当前主要是FLASH闪存颗粒）组成，控制单元包括SSD控制器、主机接口、DRAM等，存储单元主要是NAND FLASH颗粒。

  • 主机接口：主机访问SSD的协议和物理接口，常用的有SATA、SAS和PCIE等。
  • SSD控制器：负责主机到后端介质的读写访问和协议转换，表项管理、数据缓存及校验等，是SSD的核心部件。
  • DRAM：FTL表项和数据的缓存，以提供数据访问性能。
  • NAND FLASH：数据存储的物理器件载体。

12.NVMe SSD系统结构

  • NVMe SSD的接口形态有很多种，但现在作为常见的是M.2。
  • M.2 SSD是以M.2协议为接口的固态硬盘。M.2原名为NGFF接口，由mSATA演化而来，具有更多的尺寸选择，并且可以选择SATA和PCIe协议。

13.NAND FLASH介绍

NAND FLASH是一种非易失性随机访问存储介质，基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，电荷被储存在浮栅中，在无电源供应的情况下数据仍然可以保持。相对于HDD，具有读写速度快、访问时延低等特点。

NAND FLASH内部结构

NAND内部存储单元组成包括： LUN、Plane、Block、Page、Cell。

  • LUN：又称为DIE(16+1 RAID4 冗余，保护DIE、Page失效)，能够独立封装的最小物理单元，通常包含多个plane；
  • Plane：拥有独立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K个奇数Block或偶数Block；
  • Block：能够执行擦除操作的最小单元，通常由多个Page组成；
  • Page：执行编程和读操作的最小单元，通常大小为4KB/8KB/16KB等；
  • Cell：Page中最小操作擦写读单元，可以存储1bit或多bit。

14.SSD寿命分析

当前业界使用较多的是NAND Flash，NAND Flash因使用Floating Gate存储电子实现数据存储，电子在反复穿过Floating Gate后，会导致存储电子的能力变弱，最终导致击穿，无法存储数据。这特性是NAND Flash的通病，所以在使用NAND Flash时，要充分评估应用业务的写入数据量，避免提前写穿导致器件失效。

  • 单阶存储单元(Single-Level Cell，SLC)每个存储单元内存储1个信息比特
  • 多阶存储单元(Multi-Level Cell，MLC)可以在每个存储单元内存储2个以上的信息比特，其“多阶”指的是电荷充电有多个能阶(即多个电压值)，如此便能存储多个比特的值于每个存储单元中。
  • 三阶储存单元(Triple-Level Cell，TLC)，这种架构的原理与MLC类似，但可以在每个储存单元内储存3个信息比特。TLC的写入速度比SLC和MLC慢，P/E Cycle也比SLC和MLC短，大约500~1000次左右。

15.常见SSD磁盘参数和规格

常见SSD容量有300、600、800GB，1.2TB，4.8TB，7.6TB等，支持SLC，MLC和TLC等颗粒，大容量基本采用3D TLC颗粒

关于SSD接口和协议，目前主流协议为NVMe，但大多产品都还采用SAS，SATA协议。主要接口有M.2，U.2，PCIe等接口。