蘋果Fusion Drive混合磁盤方案深度解析

當(dāng)效果可觀、價(jià)格適度的SSD在2008年首次出現(xiàn)時(shí)，人們覺得這個(gè)技術(shù)相當(dāng)神奇。隨著時(shí)間的推移，NAND和SSD的性價(jià)比提高了，但機(jī)械硬盤的價(jià)格還是比它低一個(gè)數(shù)量級(jí)。AnandTech的Anand Lal Shimpi表示：我一直主張把SSD和HDD相結(jié)合的解決方案。你可以買一塊足夠大的SSD來(lái)裝操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、甚至再裝一兩個(gè)游戲，然后把其他一切放在HDD RAID-1陣列中。這種方法用在臺(tái)式機(jī)上效果很好，但你必須手動(dòng)管理文件去向。

OEM是如何處理這個(gè)問(wèn)題?我一直都感到好奇。因?yàn)榻逃脩糇约簞?dòng)手，把較大的、不經(jīng)常使用的文件放在一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，把其他東西放在另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，似乎不太可行。英特爾6系列芯片組采用了Smart Response混合硬盤技術(shù)，將一塊20GB SLC SSD作為傳統(tǒng)硬盤的緩存，希望實(shí)現(xiàn)速度的提升。

自那以后，其他一些SSD緩存解決方案也紛紛出現(xiàn)。然而，它們中的大多數(shù)采用的是便宜的、小容量、效果不佳的mSATA SSD。近來(lái)，OEM跟SSD緩存供應(yīng)商合作，以勉強(qiáng)滿足超極本認(rèn)證的最低要求。一般說(shuō)來(lái)，這種方式帶來(lái)的體驗(yàn)非常差。

HDD 制造商也在試圖解決這個(gè)問(wèn)題，但它們的方式是添加少量NAND到機(jī)械硬盤中。這通常會(huì)讓HDD 的速度變得更快，但跟SSD還是相去甚遠(yuǎn)。實(shí)際上NAND存儲(chǔ)設(shè)備的容量已經(jīng)大到足以容納你的所有數(shù)據(jù)，所以上述做法就好像是：你堅(jiān)持使用8MB L3 緩存，其實(shí)你本來(lái)可以多加幾百美元，買一個(gè)16GB。一旦你了解后者的好處，前者似乎就是毫無(wú)意義的妥協(xié)了。

蘋果是最早意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的OEM之一。該公司所有主流移動(dòng)設(shè)備都只用NAND(iPhone，iPad和MacBook Air)。最近，蘋果的專業(yè)筆記本電腦甚至也開始朝著純SSD的方向邁進(jìn)了(配Retina 顯示屏的MacBook Pro)。蘋果Mac確實(shí)有不參與低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的資本，因此要拋棄HDD 也容易了很多。即便如此，蘋果現(xiàn)在出貨的6款Mac(MBA、rMBP、MBP、Mac mini，iMac和Mac Pro)中，也只有兩款的默認(rèn)配置不帶HDD 。其余的都配備了老式機(jī)械硬盤。

把iMac這樣的設(shè)備改成純SSD比較困難。雖然筆記本電腦用戶(尤其是超極本用戶)已經(jīng)習(xí)慣了沒有太多存儲(chǔ)空間的設(shè)備，用慣臺(tái)式機(jī)的人并不一定受得了有限的存儲(chǔ)量。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，蘋果的辦法跟其他SSD / HDD混合解決方案也沒有太大不同。區(qū)別只是在SSD組成部分的大小以及軟件層上。

初識(shí)Fusion Drive

全新的Mac mini和iMac可以選擇蘋果的混合硬盤解決方案Fusion Drive。它只有兩個(gè)版本：1TB和3TB。 1TB僅適用于iMac和升級(jí)的Mac mini(799美元)，3TB只適用于27英寸的iMac。

Fusion Drive 是一塊1TB或3TB HDD(2.5英寸或3.5英寸)跟一塊128GB三星PM830 SSD的組合。在測(cè)試中，我使用的是一臺(tái)27英寸iMac，1TB的 Fusion Drive。

蘋果Fusion Drive中SSD的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的緩存方案(大多數(shù)OEM都采用8GB到24GB的NAND)。而且蘋果Fusion Drive選用的三星PM830，是我們測(cè)試過(guò)的SSD中性能和可靠性的最佳組合之一。雖然我個(gè)人更喜歡Link A Media 或者Intel S3700，畢竟它們擁有出色、穩(wěn)定的性能，但對(duì)于蘋果來(lái)說(shuō)，PM830可能是一個(gè)更加實(shí)惠的選擇。

當(dāng)然Fusion Drive與以往的混合/緩存解決方案不同，但它真正的與眾不同之處是軟件部分。Fusion Drive沒有簡(jiǎn)單地借用英特爾Smart Response 技術(shù)，它涉及到OS X邏輯卷管理器Core Storage的虛擬化存儲(chǔ)問(wèn)題。Core Storage最早出現(xiàn)是在獅子版本中，它可以讓操作系統(tǒng)把多個(gè)物理磁盤當(dāng)做一個(gè)邏輯卷來(lái)對(duì)待。

蘋果最初用Core Storage來(lái)加密整個(gè)磁盤，但現(xiàn)在，Core Storage的使用已擴(kuò)大到美洲獅的Fusion Drive中。創(chuàng)建Fusion Drive十分簡(jiǎn)單。如果你有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，你可以自己使用一些簡(jiǎn)單的終端命令來(lái)創(chuàng)建一個(gè)Fusion Drive。如果你購(gòu)買了一臺(tái)帶有Fusion Drive 的Mac，蘋果就自動(dòng)為你做好著一切了。

跟傳統(tǒng)的SSD緩存架構(gòu)不同，F(xiàn)usion Drive不是真的緩存，它會(huì)根據(jù)訪問(wèn)頻率和可用空間，在SSD和HDD之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。一個(gè)Fusion Drive的容量，實(shí)際上是其組成部分的總和。也就是說(shuō)，一個(gè)1TB的Fusion Drive容量實(shí)際上是1TB + 128GB;一個(gè)3TB 的Fusion Drive容量則是3TB + 128GB。

最新版本的“磁盤工具”(Disk Utility)把 Fusion Drive 顯示為一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，標(biāo)簽為Macintosh HD。但是蘋果并沒有試圖隱藏它的Fusion Drive屬性：在系統(tǒng)報(bào)告中，或者使用像iStat Menus這樣的第三方工具，你可以看到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的狀況：

128GB的SSD顯示容量為121.33GB。 注意：自O(shè)S X 10.6后，蘋果公司開始以10為基數(shù)顯示容量。算一下你就會(huì)知道有多少空間被用作了備用區(qū)：

這個(gè)128GiB NAND中約11.7%被預(yù)留作為備用區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)Mac中的128GiB SSD也是一樣，但這個(gè)比例比通常的6.7%要高。增加備用區(qū)比例有助于提升性能的一致性，我個(gè)人希望三星SSD能有25%的備用區(qū)。

你可以在Fusion Drive上創(chuàng)建Boot Camp或其他額外的分區(qū)，不過(guò)這些分區(qū)都是在HDD上。

Fusion Drive揭秘

我測(cè)試用的是一臺(tái)新的27英寸iMac。最開始，我用了一個(gè)128KB的順序?qū)懭氩僮?隊(duì)列深度為1)，并使用iStat Menus 4來(lái)監(jiān)測(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，我發(fā)現(xiàn)只有SSD接收了最初的寫入操作，HDD上沒有活動(dòng)。 SSD的寫入速度是322MB / s。但在寫入117GB之后，HDD接管了寫入活動(dòng)，最初速度大約為133 到175MB / s。

初步測(cè)試證實(shí)，F(xiàn)usion Drive確實(shí)使用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器。最初117GB寫入到了SSD，接下來(lái)的1TB直接寫入到HDD。我覺得它排定優(yōu)先級(jí)的方式是：Fusion Drive假設(shè)SSD上有足夠的可用空間(后面將詳細(xì)討論)，首先嘗試寫入SSD。

接下來(lái)，我想進(jìn)行隨機(jī)IO測(cè)試，因?yàn)檫@才是SSD在性能方面超過(guò)HDD的地方，通常也是SSD緩存或混合方案功虧一簣的地方。我首先嘗試了最糟糕的情況：涵蓋所有的邏輯塊地址的隨機(jī)寫入測(cè)試。鑒于Fusion Drive的總?cè)萘渴?.1TB，從這個(gè)測(cè)試中，我們可以了解蘋果如何在這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間映射LBA(邏輯塊地址)。

結(jié)果很有趣的，不過(guò)也不算意外。 SSD和HDD都有寫入活動(dòng)，但HDD更多一些(消耗了更大比例的可用LBA)。普通的4KB(QD16)隨機(jī)寫入測(cè)試結(jié)果大約是0.51MB / s，它受到了Fusion Drive中HDD部分的限制。

但在隨機(jī)寫入任務(wù)結(jié)束之后，HDD和SSD之間出現(xiàn)了直接的數(shù)據(jù)移動(dòng)。因?yàn)長(zhǎng)BA是隨機(jī)選擇的，一些(相同或只是空間上相似的)地址可能被挑選了不止一次，這些邏輯塊立即被標(biāo)記為提升到SSD。這是我第一次看到Fusion Drive主動(dòng)在驅(qū)動(dòng)器之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。

對(duì)于消費(fèi)級(jí)SSD來(lái)說(shuō)，進(jìn)行全覆蓋的隨機(jī)寫入測(cè)試可能有點(diǎn)不公平，對(duì)SSD / HDD混合方案來(lái)說(shuō)就更不公平了。要了解Fusion Drive處理隨機(jī)IO的能力有多強(qiáng)，我把隨機(jī)寫入測(cè)試限制在LBA的第一個(gè)8GB之內(nèi)。

結(jié)果有很大的不同。在第一輪中，平均速度大約是7 到9MB /s，IO絕大部分都發(fā)生在SSD上，一小部分在HDD上。 3分鐘的測(cè)試后，我等著Fusion Drive移動(dòng)數(shù)據(jù)，然后又重復(fù)了一遍。在第二輪中，速度跳升到了21.9MB / s，更多的IO發(fā)生在SSD上，盡管HDD上仍然看得到寫入活動(dòng)。

圖：大部分的隨機(jī)寫入都發(fā)生在SSD上，但仍然有部分到了HDD，移動(dòng)了一番數(shù)據(jù)和重映射LBA之后，幾乎所有的隨機(jī)寫入都到了SSD上，速度也快了很多

在第三次嘗試中，幾乎所有的隨機(jī)寫入發(fā)生在SSD上，速度達(dá)到98MB / s的峰值，碎片增多時(shí)，速度下降到最低35MB / s。我認(rèn)為，蘋果似乎依據(jù)訪問(wèn)頻率，把LBA動(dòng)態(tài)地映射到了SSD上，這是一個(gè)非常積極的性能提升方法。歸根結(jié)底，這是通常的SSD緩存方案和Fusion Drive之間存在的重大區(qū)別。大多數(shù)SSD緩存方案似乎都以讀取頻率為基礎(chǔ)，而Fusion Drive看似(至少部分是)考慮了哪些LBA被頻繁寫入，并把它們映射到SSD上。

要注意的是，隨后的隨機(jī)寫入測(cè)試產(chǎn)生的結(jié)果大不一樣。當(dāng)我用更多的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序填充Fusion Drive(用真實(shí)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序填充到80%)時(shí)，我沒有見到隨機(jī)寫入性能能再次達(dá)到這樣高的水平。在每次運(yùn)行中，我看到有很短的時(shí)間數(shù)據(jù)到處移動(dòng)，但隨機(jī)IO發(fā)生在HDD和SDD的比例約為7:1。鑒于這兩種驅(qū)動(dòng)器之間的容量差異，這個(gè)比例具有很大意義。如果你的工作負(fù)載包含大量的隨機(jī)寫入，涵蓋所有可用空間，F(xiàn)usion Drive可能就不太適合你。不過(guò)這樣的工作負(fù)載大多出現(xiàn)在企業(yè)用戶中，所以對(duì)你來(lái)說(shuō)這應(yīng)該不是問(wèn)題。

數(shù)據(jù)精細(xì)度探究

蘋果公司在宣傳Fusion Drive時(shí)，談到了文件和應(yīng)用程序級(jí)別的數(shù)據(jù)移動(dòng)，但在現(xiàn)實(shí)使用中，數(shù)據(jù)可以以128KB的文件塊在SSD和HDD之間移動(dòng)。

使用fs_usage工具，你可以看到蘋果Fusion Drive的內(nèi)部工作原理。 文件以128KB的文件塊在驅(qū)動(dòng)器之間移動(dòng)，這也是由文件塊的使用頻率來(lái)決定的。由于客戶工作負(fù)載往往是順序的(在最糟的情況下也是偽隨機(jī))，我們可以比較有把握地說(shuō)，如果你在一個(gè) 128KB的文件塊中訪問(wèn)一個(gè)LBA，你實(shí)際上會(huì)訪問(wèn)同一空間中更多的LBA。數(shù)據(jù)遷移過(guò)程似乎主要是發(fā)生在閑置期間，雖然我也看到，在IO負(fù)載較輕的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)器之間也有遷移活動(dòng)進(jìn)行。

遷移的快速觸發(fā)機(jī)制十分有趣。一旦文件被復(fù)制或者創(chuàng)建出來(lái)，應(yīng)用程序啟動(dòng)，或者其他IO活動(dòng)完成時(shí)，SSD和HDD之間立刻開始進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移。當(dāng)你填充Fusion Drive時(shí)，在SSD和HDD之間移動(dòng)的數(shù)據(jù)量就大幅收縮了。事情本來(lái)就應(yīng)該是這樣。不常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)應(yīng)該放置在HDD 上，真正重要的東西會(huì)留在SSD上。當(dāng)Fusion Drive在寫入時(shí)，蘋果就不會(huì)那么積極地釋放SSD上的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)遷移過(guò)程本身是非常簡(jiǎn)單的，數(shù)據(jù)被標(biāo)志為promotion和demotion，它被物理復(fù)制到新的存儲(chǔ)設(shè)備上，然后它才移走。在遷移過(guò)程中，如果出現(xiàn)電源故障，F(xiàn)usion Drive不會(huì)造成任何數(shù)據(jù)丟失，只有當(dāng)一個(gè)128KB文件塊的兩個(gè)副本就位之后，源塊才會(huì)被移除。蘋果去年就告訴過(guò)我這件事了，但我現(xiàn)在才親眼看到。