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你的固态硬盘会偷偷吃内存:胃口虽小,高负载下原形毕露

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固态硬盘的性能绝非千篇一律,颗粒类型、主控芯片、DRAM缓存都是主要影响因素,M.2 NVMe固态也不例外。很多人以为,只要选的是NVMe协议的固态,性能就都在同一水准,同代产品之间差别不大。


如今新上市的NVMe固态中,越来越多型号省去了以往高端产品标配的DRAM缓存芯片。这类固态会借用一部分系统内存,来维持和有缓型号相近的性能表现。

你的SSD,正在占用系统内存
主机内存缓冲(HMB):无缓背后的隐秘机制


对于NVMe固态而言,主机内存缓冲(Host Memory Buffer,简称HMB)是无DRAM缓存固态的标配,允许它们从系统内存中划出一小块区域。这块内存用于存放闪存转换层(FTL)映射表。而带DRAM缓存的固态,会把这张表直接存在自带的缓存芯片里。这颗芯片就是我们常说的DRAM缓存芯片,只需将FTL映射表存储在本地,就能大幅提升4K随机读写性能。


野史有云:突然断电之后,DRAM缓存里的数据瞬间全部消失。早期部分带DRAM的企业级SSD,板载额外的超级电容,断电一瞬间把DRAM里尚未写入的数据全部刷进NAND闪存;但消费级带缓SSD几乎全都没有超级电容,意外断电,DRAM缓存内未落盘的数据一样直接灰飞烟灭,很多人误以为带缓家用盘有断电保护,其实并没有。

依赖HMB技术的无缓固态,没有用NAND闪存存放FTL映射表,而是占用一小部分系统内存来承载——不过不必担心,占用的内存不是几百MB、更不是GB级别,仅仅几MB级别,一般为SSD总容量的1/1000。也就是说,一块4TB无缓SSD仅仅占用4MB系统内存。

但无缓并不是毫无代价的,它们面临两重局限。第一是系统内存本身的物理限制,即便内存速度再快,它也位于主板PCIe总线的另一端,而非集成在硬盘内。因此主控每次调取映射表,都要比从缓存读取付出更高的延迟。


第二重局限来自缓存容量本身。带DRAM缓存的固态能将整张映射表都放在手边(一般每1TB存储容量带1GB缓存),而HMB仅能借用几MB内存,仅够存放最常访问的映射区段,剩下的部分只能留在速度较慢的NAND闪存里,因此瞬发读取依然比不上有缓型号。

越来越多的SSD,正在砍掉DRAM缓存
内存涨价,让省钱的权宜之计成了常态

绝大多数消费级有缓固态硬盘使用的DRAM其实就是LPDDR4颗粒(低功耗版DDR4)。

野史有载:早年SATA固态时代,厂商有过一个疯狂的邪路,直接焊手机拆下来的二手LPDDR内存颗粒当SSD缓存。拆机手机内存颗粒货源充足、价格低廉,不少小厂偷偷这么干过。但二手颗粒体质参差不齐,部分固态会出现随机掉盘、蓝屏,后来标准收紧,这种“拆手机颗粒魔改固态”的野路子才销声匿迹。


今年内存涨价,造成越来越多的固态取消独立DRAM缓存,也就不足为奇了,而且这一趋势早已不再局限于入门产品。


群联(Phison)今年发布的最新主控PS5037-E37T,就是一款无DRAM的PCIe 5.0主控。推广这款主控时,最大卖点就是省去DRAM带来成本优势,但作为PCIe 5.0 x4主控,它的性能依然能达到准旗舰级别:连续读写速度最高可达14.7GB/s,4K随机读写性能最高可达300万IOPS。

作为对比,如今市面上的旗舰有缓固态比如三星9100 PRO,标称连续读写14.8GB/s,4K随机读写上限260万IOPS,看似相差无几。

尽管群联的新主控本身在技术上确实令人赞叹,但整个市场向无缓固态倾斜的趋势,终究令人遗憾。这分明是AI需求不断膨胀之下,消费电子市场的又一次倒退。

性能差异不大,关键时刻仍然不小
尤其当SSD处于高负载时

没有板载独立DRAM缓存,不代表这块固态硬盘就不值得入手,但在下单前,弄清楚自己买到的究竟是有缓还是无缓总没错。

在我们日常的电脑使用场景中,有无DRAM缓存的固态硬盘,体验几乎一般无二。无论是开机进系统、双击打开各类软件、游戏加载,还是单纯拷贝大型视频、压缩包等大体积文件,HMB机制都足以撑起基础性能。这些操作以连续读写为主,对硬盘的瞬时响应压力极低,空盘状态下,无缓盘和带缓盘的跑分、实际耗时差距往往不足10%,绝大多数用户根本感觉不到自己的固态正在借用系统内存运行。也正因如此,厂商才敢于大胆砍掉昂贵的DRAM缓存芯片,普通用户却不会察觉到异常。


可一旦硬盘遭遇高强度、复杂化的工作负载,一切就不一样了。像运行虚拟机、搭建小型本地数据库、多工程素材读写、重度多任务办公,会爆发大量细碎无序的4K随机读写请求。

空盘时无缓盘确实可以跑出接近旗舰的IOPS;当硬盘占用来到60%‑70%,接近满盘、长时间持续随机写入工况下,HMB无缓方案的4K随机性能普遍下跌30%‑50%,读写延迟可以从几十微秒飙升到200μs以上,延迟波动成倍放大。

无缓盘的HMB机制最多只能借用几十MB系统内存,仅能存放高频热点映射条目,绝大多数映射信息依旧躺在慢速NAND闪存之中。主控需要反复跨PCIe总线读取、刷新映射表,原本微小的延迟差距被无限放大,直观感受就是程序卡顿、切换窗口响应变慢;在IOMeter这类长时间压力跑分中,两者的性能鸿沟会被彻底摊开。

性能衰减之外,还有一层看不见的代价。频繁来回调取、同步映射表,会加重固态硬盘的垃圾回收负担,直接拉高写入放大系数。同规格TLC颗粒,带DRAM缓存固态写入放大一般控制在1.5‑2倍区间;而高负载下的HMB无缓盘,写入放大可以来到3‑5倍。简单讲:同样向硬盘写入100GB的文件,无缓盘闪存实际要擦写300‑500GB的数据。日积月累,会更快消耗硬盘的写入寿命。


当然,闪存颗粒类型(SLC、TLC、QLC)依旧是决定寿命的第一要素,但无DRAM架构,确实会在重度使用场景下加速老化损耗。

只要价格合适,无缓固态也值得入手


对大多数人而言,多数时间用更便宜的无DRAM缓存硬盘,通常是划算的。毕竟日常需求无非是快速开机、秒开软件,偶尔传输大文件。这些场景都不会让SSD满负荷运转,也就体现不出DRAM内存在后台发挥的作用,对绝大多数用户来说,使用体验不会有太大差别。

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