Fusion Drive揭秘 - SSD和HDD完美結(jié)合 Fusion Drive混合磁盤解析

我測試用的是一臺新的27英寸iMac。最開始，我用了一個128KB的順序?qū)懭氩僮鳎?duì)列深度為1），并使用iStat Menus 4來監(jiān)測兩個驅(qū)動器的狀態(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。 SSD的寫入速度是322MB / s。但在寫入117GB之后，HDD接管了寫入活動，最初速度大約為133 到175MB / s。

初步測試證實(shí)，F(xiàn)usion Drive確實(shí)使用了兩個驅(qū)動器。最初117GB寫入到了SSD，接下來的1TB直接寫入到HDD。我覺得它排定優(yōu)先級的方式是：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，我想進(jìn)行隨機(jī)IO測試，因?yàn)檫@才是SSD在性能方面超過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)寫入測試。鑒于Fusion Drive的總?cè)萘渴?.1TB，從這個測試中，我們可以了解蘋果如何在這兩個驅(qū)動器之間映射LBA（邏輯塊地址）。

結(jié)果很有趣的，不過也不算意外。 SSD和HDD都有寫入活動，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。因?yàn)長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主動在驅(qū)動器之間移動數(shù)據(jù)。

對于消費(fèi)級SSD來說，進(jìn)行全覆蓋的隨機(jī)寫入測試可能有點(diǎn)不公平，對SSD / HDD混合方案來說就更不公平了。要了解Fusion Drive處理隨機(jī)IO的能力有多強(qiáng)，我把隨機(jī)寫入測試限制在LBA的第一個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分鐘的測試后，我等著Fusion Drive移動數(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。

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，速度下降到最低35MB / s。我認(rèn)為，蘋果似乎依據(jù)訪問頻率，把LBA動態(tài)地映射到了SSD上，這是一個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，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，我看到有很短的時間數(shù)據(jù)到處移動，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)動器之間的容量差異，這個比例具有很大意義。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。不過這樣的工作負(fù)載大多出現(xiàn)在企業(yè)用戶中，所以對你來說這應(yīng)該不是問題。

數(shù)據(jù)精細(xì)度探究

蘋果公司在宣傳Fusion Drive時，談到了文件和應(yīng)用程序級別的數(shù)據(jù)移動，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。

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)動器之間移動，這也是由文件塊的使用頻率來決定的。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，如果你在一個 128KB的文件塊中訪問一個LBA，你實(shí)際上會訪問同一空間中更多的LBA。數(shù)據(jù)遷移過程似乎主要是發(fā)生在閑置期間，雖然我也看到，在IO負(fù)載較輕的時候，驅(qū)動器之間也有遷移活動進(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，應(yīng)用程序啟動，或者其他IO活動完成時，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，在SSD和HDD之間移動的數(shù)據(jù)量就大幅收縮了。事情本來就應(yīng)該是這樣。不常訪問的數(shù)據(jù)應(yīng)該放置在HDD 上，真正重要的東西會留在SSD上。當(dāng)Fusion Drive在寫入時，蘋果就不會那么積極地釋放SSD上的數(shù)據(jù)。

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

用128KB的文件塊在HDD和SSD之間移動數(shù)據(jù)，蘋果可以在寫入SSD的時候進(jìn)行部分碎片整理。盡管Fusion Drive 的所有寫入首選目的地都是SSD（可以包括小于128KB的文件塊，隨機(jī)和偽隨機(jī)寫入），任何從HDD到SSD的遷移卻都是大塊順序?qū)懭氲模绻?qū)動器中有大量碎片，這就會觸發(fā)垃圾塊回收過程。SSD的性能肯定會隨著時間的推移降低，但是這個過程有助于保持它的性能，因?yàn)镾SD幾乎一直都是在充滿的狀況下運(yùn)行的，而且它會接收各種不相關(guān)的寫入。我前面提到過，我希望蘋果把更多的PM830 NAND空間預(yù)留為備用區(qū)。我懷疑蘋果沒有預(yù)留更大的備用區(qū)是出于成本方面的考慮。

應(yīng)用體驗(yàn)

在現(xiàn)實(shí)使用中，F(xiàn)usion Drive能給我們帶來怎樣的體驗(yàn)?zāi)?？簡單說來，它的效果出乎意料的好。我之前使用過的SSD緩存方案全部都更像是HDD而不是SSD，不過蘋果公司的Fusion Drive體驗(yàn)則是幾乎處于HDD和SSD的正中間。

它在安裝幾乎所有程序時，都是先用SSD，因此Fusion Drive感覺真的像SSD。不僅是在安裝應(yīng)用程序的時候，復(fù)制任何東西時，一般也是先去SSD。似乎到了4GB之后，它才開始用HDD。不過稍加努力，你可以讓Fusion Drive僅在1 到 2GB之后就開始寫入到HDD。我用Iometer創(chuàng)建了一個順序測試文件，監(jiān)測Fusion Drive什么時候停止將文件寫入到SSD，在這時停止這個進(jìn)程，重新命名這個文件，并再次開始創(chuàng)建文件。結(jié)果如下圖：

可以看到，如果你的速度夠快，你可以在低于2GB的時候就讓HDD接管寫操作。我不知道這是不是SSD上的可用空間量，但很有可能就是這樣，因?yàn)轱@示121GB的SSD又不充分使用它實(shí)在說不通。

在大多數(shù)時候，當(dāng)你不那么積極地寫入SSD時，F(xiàn)usion Drive可以保持至少4GB的SSD可用空間。需要注意的是：當(dāng)你第一次使用它時，F(xiàn)usion Drive大部分都是空的，你寫入的幾乎任何東西，無論大小，都會直接進(jìn)入SSD。然而，當(dāng)容量承受一定壓力時，蘋果就會改變方法：讓任何文件最多寫入4GB到SSD，其余部分則放到HDD上。

通過安裝蘋果的OS X開發(fā)者工具以及Xcode本身，我證實(shí)了這一點(diǎn)。后者接近于4GB大，但默認(rèn)狀況下，它的很大部分都到了SSD上。

應(yīng)用程序生成的數(shù)據(jù)也是如此。我用Xcode創(chuàng)建Adium，一個682MB的項(xiàng)目，整個編譯過程都發(fā)生在SSD ——機(jī)械硬盤一直都沒有活動。我試圖創(chuàng)建一個更大的項(xiàng)目，近2GB的Firefox。這時出現(xiàn)了短暫的HDD活動，但絕大多數(shù)活動都是在SSD上。

我復(fù)制了一個很大的視頻文件（》10GB）到這臺iMac上，現(xiàn)在我把它復(fù)制到一個新的位置上，并密切注意Fusion Drive的動向。最初的2GB是從SSD傳輸?shù)絊SD，接下來的2GB是從HDD讀取，寫入SSD。大約4GB被復(fù)制之后，源驅(qū)動器和目標(biāo)驅(qū)動器都變成了HDD。在我看來，正確的做法應(yīng)該是默認(rèn)情況下把所有的大文件都放入HDD ，除非它們被頻繁訪問。蘋果的做法似乎是一個合理的妥協(xié)，但它把文件塊放入SSD的方式比我以為的更加積極。

我重復(fù)了這個測試，用另一個我從來沒有訪問過的視頻文件，得到的結(jié)果完全不同。整個文件都存在HDD 上。我又重復(fù)一次這個測試，用我訪問了好幾次的iPhoto圖庫，令我驚訝的是，這個iPhoto圖庫的大部分都在HDD上，但也有一些少許讀取來自SSD。但在這兩種情況下，復(fù)制的目標(biāo)驅(qū)動器當(dāng)然都是SSD。

我Anandtech文件夾的大小超過32GB，含有文字、照片、演示文稿、基準(zhǔn)測試結(jié)果，以及我做過的幾乎所有評測。雖然這個文件夾非常重要，但它其中大部分都沒有經(jīng)常被訪問。我在復(fù)制這個文件夾時，發(fā)現(xiàn)幾乎全在HDD上。38GB的“我的文檔”文件夾也是如此，這個文件夾中的大部分也是未讀過的。

另一方面，應(yīng)用程序幾乎總是放在SSD上。

之前我經(jīng)常手動把操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序放在SSD，大的媒體文件放在HDD上，F(xiàn)usion Drive把這個過程自動化了，而且效果還相當(dāng)不錯。我手動整理資料和Fusion Drive自動化之間唯一的區(qū)別就是，我把“我的文檔”和Anandtech文件夾默認(rèn)放在SSD。這樣做不只存在性能方面的考慮，也是為了可靠性，因?yàn)橛脖P比SSD更容易出毛病。