机械硬盘的那些事 谷歌重塑数据中心

（原标题：机械硬盘的那些事 谷歌重塑数据中心）

闪存势头越来越猛，磁盘最后的栖身之所不是各种消费级产品，而是在数据中心，没人会认为谷歌要做硬盘，但因为是举世闻名的大型互联网用户，谷歌对硬盘提出了许多看法格外引人关注，这些看法都写在了这个白皮书里——《Disks for Datacenter》。

    谷歌发声更能引起关注，因为是用户，而且是是互联网用户，毕竟时代赋予了互联网公司的正确性、正义性，信谷歌，谷歌似乎什么都能做，但面对硬盘，面对现实，谷歌最多是在接口层和固件方面做点文章，谷歌重塑硬盘，其实谷歌的需求更多是为了引起业内讨论，提出了作为用户的需求。

    白皮书里列举了谷歌对于重塑数据中心硬盘的种种看法，当然，硬盘的重塑需要与整个产业界的共同努力，启事录创始人张广彬告诉笔者说，其实业内许多硬盘厂商已经开始在做这方面的努力和尝试了。

    Eric Brewer是报告的撰写者之一，他除了是谷歌数据中心基础设施的副总裁之外，还是加州大学伯利克分校的教授，他在报告中写道，现在数据中心的硬盘是由历史原因造成的，它继承自PC的软盘，现在应该考虑出现一种TCO更好的磁盘了，过程可能是漫长的，需要经过广泛讨论，但这件事本身是值得考虑的。

    笔者查看了这几篇报告，加上之前看的几个报告，总结出了关于谷歌重塑数据中心硬盘需要知道的两件事。

    第一件事：为什么这次不是闪存？

    不是说闪存来了吗？闪存性能那么好，又说闪存越来越便宜了，没几年就换要替代磁盘了，为什么又回过头来折腾磁盘了呢？

图片Wikibon：2023年单位容量闪存和磁盘的价格将基本一致

在这篇报告中提到，目前来说成本是最主要的，不是说闪存不重要，闪存现在主要还是用在高IO应用领域。

    差不多同一时间，谷歌联合多伦多大学发布了另外一份报告——《闪存盘的可测与不可测》，从另一个角度对闪存提出疑问。

    报告仔细分析了存放着六年来产生数据的存储设备，包括数百万的磁盘，十多种不同磁盘模型和不同的闪存技术。

    报告数据显示，四年来，有超过20%的磁盘发现了不可恢复错误，差不多同样长的时间内，将近80%的磁盘都发现了坏块。相比之下，磁盘在32月时间内，不可恢复错误的比例仅为3.5%。

使用寿命（按PE来算）对失效率的影响

原始比特误码率（RBER）确实会随着使用寿命而增长，但是没以往想象的那么高，并不是呈指数增长的。

横轴是使用次数

在相同的PE下，旧的闪存盘比新的闪存盘失效率要高，闪存盘的年龄影响失效率，看来盘买了不用也是罪，电子产品买新不买旧啊。
         

令许多人大跌眼镜的是，报告居然说企业级市场常用的SLC闪存在可靠性上并不比总是比MLC强，比如上图所示。

    许多全新的SSD也会有坏块，坏块越多未来的错码率就越高，对闪存盘影响越大，这个是可以预测的。

    报告提到，原始比特误码率（RBER）是在测量磁盘可靠性时的重要参数，然而RBER在闪存面前没什么意义，因为高RBER并不意味着高UBER，这是人们在面对闪存时候的不可测。

    似乎人们对闪存的认识还不够全面，人们还在了解当中，对闪存的研究可不止谷歌做过。

    去年Facebook发布的闪存失效率（错码率）报告（A Large-Scale Study of Flash Memory Failures in the Field）也对闪存进行了研究，报告让我们认识到，闪存普及与否不全是价格的因素，还有性能稳定性的因素，因为性能随着使用次数增多是会有衰减的，这可能会影响客户的关键业务。

失效率与使用次数不呈线性

更重要的是还有可靠性的因素，Facebook的报告中说，闪存失效率在寿命周期并不是线性的，另外温度也会影响闪存的失效率，再加上《闪存盘的可测与不可测》（Flash Reliability in Production: The Expected and the Unexpected）报告所提到的，如果闪存表现不可测将影响在关键业务中的使用。

    我们很难说谷歌和Facebook的报告谁更准确，但可以肯定的是，磁盘比闪存成熟的多，一个显而易见的事实是，闪存在数据中心的替代率不高，所以才有了重塑数据中心硬盘的命题。

第二件事，要如何重塑数据中心硬盘，谷歌提出了哪些意见？

     Eric表达了对数据中心现有的3.5吋盘的种种不满，近线企业级硬盘不适合当前应用。从以下三点说明：

     一，重塑单块磁盘，优化磁盘存储集合的整体表现，简单指标有提升IO，提升容量等。

     二，降低（tail latency）尾延迟，比如通过读缓存提升云用户的响应速度，通过提升吞吐量提升MapReduce这类应用的体验，简单来说延迟要大，带宽要高。

     三，安全，一方面是固件漏洞引起攻击引起的问题，一方面是固件在加密方面的问题。

     具体的做法谷歌指出了是个细节我们来看一下：

     1，让硬盘外形变高变细，从而提升IOPS，提升容量，降低单位容量价格。

     提升容量。给现有磁盘外形加以改造，思路是说让单个磁盘的盒子放高一些，这样每块硬盘可以放更多的盘片，从而增加容量，增加盘片来增加容量这正式磁盘厂商一直在做的事儿，最近希捷还推出了7碟片的磁盘，容量刷新到了10TB。

    提升IOPS，把每块盘片的直径缩短，这样盘片小了寻道距离就短了，寻到时间就快了，因为盘片小了， 转起来更稳定了，所以硬盘可以转得更快，这样就可以提升RPM，减少寻道时间，从而提升IOPS性能了。

    另外，文中还列举了提升并行IOPS的方法还有四种，（1），硬盘内部对角放两个机械臂，每个机械臂覆盖所有盘面，这样无疑会提高成本，但是性能会很高；（2），在一个位置放两个半长的机械臂，每个机械臂负责半个盘面。（3），一个机械臂上做一种双极设计，从而让两个磁头对应两个碟片，这会提升顺序读写性能，但是随机访问没什么好处。（4），一个机械臂，改变机械臂上的磁头，让它可以同时读两个道，这样增加顺序读写性能。

    另外，由于一个硬盘封装（硬盘壳）里的碟片更多了，也可以降低成本，打个不太合适的比方，有点像3块钱的可乐和6块钱一瓶的可乐单位容量的价格的区别一样。

    2，硬盘缓存，降成本，降低（tail latency）尾延迟。

    现在许多硬盘都有自己的缓存（30-100MB），硬盘是要连接到主机的，从成本的角度来说这不太好，我们让磁盘通过PCIe使用主机的RAM，主机那边的RAM比较便宜，这样既可以降低成本还能提高利用率。

    另外还提到，硬盘到磁盘的供电电压有12V，5V，还有3.3V，谷歌希望未来能统一成12V的直流电，这样以后设计系统的时候不用再考虑电压的问题了，降低TCO。

    3，优化SMR，提升容量。

    SMR提升了存储密度但是降低了随机写的性能，因为被删掉的数据的空间只有GC之后才能被重新利用，但什么时候做GC是个问题，时间不好会影响性能，当请求来的时候你GC，这会影响IOPS。

    通常，一些可预测生命周期的数据被集中放在SMR的区域，这虽然能缓解问题，但因为这些是冷数据，所以浪费了原有的IOPS能力，不仅如此，更多IOPS集中在了CMR（conventional magnetic recording ），增加了CMR的IOPS压力，所以说SMR提升了单位价格容量的性价比而不是单位IOPS的性价比。

    于是谷歌提出了出混合磁盘，既有冷数据又有热数据，既有CMR又有SMR。新数据来了先放在CMR，SMR可以放长久的数据。什么样的混合盘呢？在一个硬盘里分别做优化，一些是对SMR优化的磁头和盘片，一些是对CMR做优化的磁头和盘片。

    进一步想，如果未来能有可以动态调整CMR和SMR的配比的硬盘就更好了。

    4，硬盘日志，优化IOPS和（tail latency）尾延迟

    设立一个日志文件，文件内容是重要的性能或者某一类操作的事件，比如数据完整性的重写，硬盘在执行命令或者普通的读写的时候参考这个日志。系统在不影响性能的时候定时读取这个日志，比如当发现一个延迟很高的读操作时候，读取一下这个日志进行诊断。

    5，利用重读（Read Retry）机制降低（tail latency）尾延迟

    这条其实是读策略的问题，硬盘的读操作都会进行“有限的尝试”，如果发现坏数据之后会很快返回一个值。谷歌建议把这一机制用在并行读操作，以此来降低（tail latency）尾延迟。

    6，改变硬盘故障率，错码率标准，也就是许多媒体说的，不重视硬盘的可靠性。

    大意就是说现在的硬盘为了可靠性牺牲了性能，增大了（tail latency）尾延迟，牺牲了存储密度等等。

    7，后台任务和后台管理API

    磁盘的后台任务可以用来解决和防止故障，但是这些操作影响了延迟性能，但是后台任务又是必须的，为了更好的用它，谷歌提出了几点建议：

    比如让所有的任务都可以改变优先级，比如磁盘可以获知后台任务执行所需时间，比如主机来决定什么时候进行后台任务，当主机出问题的时候磁盘可以自己做一些维护工作等等。做一些灵活的调整。

    8，灵活的容量配置

    1）磁盘有的部分是有缺陷的，但厂商为了提供特定容量的磁盘，会预留一部分空间弥补缺陷部分损失的空间，如果容量太低的话就不能提供而定空间，就得返厂重新生产，或者就按现有容量这么卖。

    2）硬盘上不是有做缓存，Reallocation的扇区吗？在硬盘使用的早期把这部分拿出来存储数据，然后一步步的把这些数据拿回来发挥原有的功能。

    3）还有就是当磁头故障时磁盘需要重新初始化，然后找回丢失的数据。谷歌建议以后磁头故障的时候别管他，直接继续往下读，这样能延长使用寿命。

    9，增大扇区

    ECC校验能力的提升使得硬盘服务商能提高扇区的大小，从512B提升到4KB之后降低了ECC的不利影响，而现在许多时候都需要把数据读取到分布式系统当中，如果能继续增加扇区大小的话，会有许多好处。
    许多主机软件在写入数据的时候都会加入CRC（周期性循环检查），而现在许多SATA盘都开始支持扩展扇区功能，比如有了4K+16B，64K+256B这样的扇区，据了解，现在许多SCSI磁盘已经有了这样的功能了。

    10，通过优化队列管理，提升IOPS

    谷歌指出了NCQ和TCQ的许多问题，这个比较复杂，笔者能力有限，想了解的更详细的内容点击下方下载链接获取完整报告吧。

    看完这篇报告，笔者感觉谷歌实在是很挑剔，但正如企事录创始人狒哥所说，谷歌其实做不了什么，最多也就在固件和接口层做点内容。诚然，谷歌提出意见为的是引起关注，希望硬盘厂商能行动起来做出一些优化。