☰

为什么 hdd/ssd 基准测试中的 4k 读取速度比写入速度慢？

tag-icon • tag-icon hard-drive ssd benchmarking advanced-format
为什么 hdd/ssd 基准测试中的 4k 读取速度比写入速度慢？

有多种基准测试工具可用于测试电脑驱动器的速度。

以下是 SATA SSD 的基准测试示例：

  • 连续读取：718.498 MB/s
  • 顺序写入：777.414 MB/s
  • 随机读取 512KB ： 160.541 MB/s
  • 随机写入 512KB ： 838.930 MB/s
  • 随机读取4KB（队列号=1）：26.985 MB/秒[6588.1 IOPS]
  • 随机写入4KB（队列号=1）：135.603 MB/秒[33106.2 IOPS]
  • 随机读取 4KB（QD=32）：177.003 MB/s [ 43213.6 IOPS]
  • 随机写入 4KB（QD=32）：178.397 MB/s [ 43554.0 IOPS]

m.2 固态硬盘：

  • 顺序读取 (Q= 32,T= 1) ：829.119 MB/s
  • 顺序写入 (Q= 32,T= 1)：677.645 MB/s
  • 随机读取 4KiB（Q= 32,T= 1）：744.328 MB/s [181720.7 IOPS]
  • 随机写入 4KiB（Q= 32,T= 1）：144.876 MB/s [ 35370.1 IOPS]
  • 顺序读取（T= 1）：785.600 MB/s
  • 顺序写入（T= 1）：789.973 MB/s
  • 随机读取4KiB（Q= 1，T= 1）： 56.585 MB/秒[13814.7 IOPS]
  • 随机写入4KiB（Q= 1，T= 1）： 170.449 MB/秒[41613.5 IOPS]

硬盘：

  • 连续读取：114.988 MB/s
  • 连续写入：111.043 MB/s
  • 随机读取 512KB ： 39.260 MB/s
  • 随机写入 512KB：57.409 MB/s
  • 随机读取4KB（QD=1）：0.546 MB/秒[133.4 IOPS]
  • 随机写入4KB（QD=1）：0.757 MB/秒[184.9 IOPS]
  • 随机读取 4KB（QD=32）：1.582 MB/s [ 386.3 IOPS]
  • 随机写入 4KB（QD=32）：0.700 MB/s [ 171.0 IOPS]

在每种情况下，“随机读取 4KB Q1”都比写入慢，而在大多数情况下，“QD32”则相反。

在一些论坛上，人们说这是 SSD 芯片结构的限制，但通常硬盘表现出相同的行为，这似乎是其他原因？！

答案1

总结：这是因为 SSD 欺骗了你，在实际写入之前就说写入已经完成。对于读取，它无法逃脱同样的惩罚。

答案的较长版本是写入缓存。

让我们从 QD1 案例开始。SSD 收到数据并将其保存在驱动器本地的缓存中后，将向操作系统报告写入已完成，但在此之前它尚未真正将其写入 NAND。这会产生很大的不同，因为实际将数据写入 NAND 的速度非常慢。对于读取，它实际上必须先从 NAND 读取数据，然后才能将其发回（除非它之前已经读取过数据并且仍在缓存中，但随机读取时这种情况不太可能发生）。

缺点是，如果突然断电，写入 SSD 但尚未写入 NAND 的数据可能会丢失。一些企业级 SSD 包含一个超级电容器，可在突然断电的情况下存储足够的电量，以完成将缓存中的数据写入 NAND 的操作。

硬盘也会出现同样的情况，因为它们也在进行写入缓存。只是它们在这方面没有那么积极。为什么 SSD 如此积极？要回答这个问题，我们需要考虑 QD32 的情况，这既更复杂，也更有趣。

您说的 QD32 随机读取通常比随机写入快，这是不正确的。这很大程度上取决于您查看的是哪种特定的 SSD。

如果您查看许多 SATA SSD 上的 4k QD1 随机读取，它们似乎都在 20-30 MB/s 范围内执行。这是为什么？这是因为 4k QD1 随机读取主要与延迟有关，而不是吞吐量。延迟来自三个部分：

  1. SATA/AHCI 的接口延迟涉及告诉驱动器做什么以及发送数据。
  2. 控制器本身必须弄清楚如何处理收到的数据和指令。
  3. 实际读取或写入数据到 NAND 芯片所需的时间。

1. 和 3. 在很长时间内都没有发生太大变化，这就是为什么 1k QD1 随机读取也没有发生太大变化的原因。

SSD 最近从 SATA/AHCI 转向 PCIe/NVMe，大大缩短了 1 的延迟，这就是为什么某些 m.2 和 PCIe SSD 最近在这里显示出巨大改进的原因。

SSD 控制器可以极大地帮助降低延迟的一件事就是并行读取或写入多个 NAND 芯片，这样就可以掩盖大部分 3 的延迟。如果您使用 NCQ 执行 QD32 4k 随机读取，则 SSD 可以无序地处理读取请求，并确保它尽可能并行地从尽可能多的 NAND 芯片中读取。

对于 QD32 4k 随机写入，SSD 会执行所谓的写入组合操作。当大量小型写入请求进入时，SSD 控制器会将它们缓存在本地，当写入缓冲区足够大时，控制器会将其拆分为大小合适的块，并将这些块并行写入多个 NAND 芯片，同样有助于掩盖 NAND 延迟。写入组合的另一个优点是，如今大多数 SSD 的页面大小（可以读取或写入的最小量）都大于 4k，而将写入组合到页面大小之前有助于避免大量写入放大。为了做到这一点，SSD 在写入缓存方面非常积极。

相关内容