速度提升惊人 详谈苹果Fusion Drive

来源:中关村在线| 2013-01-26 11:36:08|
第1页:Fusion Drive是简单的硬盘混合吗

  如今,处理器性能早已不再是PC的瓶颈,而致使机器运行缓慢的原因,很大一部分来自于硬盘。传统机械硬盘(HDD)由于采用的是寻道的机制,因此在读写数据时,要一层一层的去读写,也就是说,要按一定的顺序去搜寻每一个相关或不相关的数据,这样就使得读写数据的时间变得更加漫长。

  而我们时下所熟知的固态硬盘(SSD)之所以快的原因,是因为它采用了随机存取机制。也就是说,用户在向固态硬盘发出搜索数据指令时,它不会一个一个的去查找--排除,而是会直接把相应的数据调拨给用户,这就使其在速度方面要远远领先于机械硬盘。

  不过,固态硬盘目前容量较小,大容量产品价格过高,而机械硬盘目前2TB容量也仅仅在600元上下,相当于一块儿128GB固态硬盘的价格,因此,如何将两种产品结合起来应用,就是一些厂商需要考虑的问题。因此我们也看到,时下很多笔记本、超极本都采用了混合硬盘的方式,一块儿小容量的硬盘做系统盘,或者做数据缓存空间,而搭配一块大容量机械硬盘来获得更多的数据存储空间。可以说,在固态硬盘成本依旧较高的今天,这种混合式的解决方案,无疑在机器运行速度与数据存储空间之间找到了平衡。


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苹果Fusion Drive详解

  但是,它们中的大多数采用的是便宜的、小容量、效果不佳的mSATA SSD,虽然速度上有明显提升,但是依然不能反映出固态硬盘的真正实力,相信这一点很多朋友也有体会。此外,还有一些厂商的做法是将NAND添加到到机械硬盘中。这通常会让HDD的速度变得更快,但跟SSD还是相去甚远。

  说了这么多硬盘的事儿,下面就回到我们今天的主角身上。苹果可以说是最早意识到上述问题的厂商之一,比如iPhone、iPad、MacBook产品都使用到了NAND来提升运行速度,这也是为什么我们使用苹果产品的时候,通常很少会遇到卡顿的情况。而当固态硬盘出现之后,苹果也在第一时间引入了固态硬盘到其设备中,最典型的就是MacBook Air,完全采用了固态硬盘的解决方案,而像MBP、Macmini、iMac等也采用了固态硬盘加机械硬盘的方案。

  不过,对于iMac这样的一体电脑而言,使用纯固态硬盘的方案就比较困难了,一方面成本太高,另一方面也难以提供更为庞大的数据存储空间,正是因为如此,苹果才在iMac上推出了Fusion Drive方案,这与其它厂商的SSD/HDD混合方案有何不同呢?接下来,我们就详细来了解一下。


第2页:苹果Fusion Drive究竟是什么

  ·苹果Fusion Drive究竟是什么

  如果关注苹果官网的话会发现,在购买Macmini、iMac的时候,用户可以选择Fusion Drive,有1TB和3TB两种解决方案,分别需要多加1940元和3104元。其中,1TB仅适用于iMac和升级的Mac mini(799美元),3TB只适用于27英寸的iMac。


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苹果官网购机时会提示选配Fusion Drive

  那么到底什么是Fusion Drive呢?它与其它混合硬盘解决方案有哪些不同呢?

  首先,Fusion Drive其实是一块1TB或3TB机械硬盘跟一块128GB三星830固态硬盘的组合。我们都知道,很多超极本同样采用了混合型硬盘,但是固态硬盘部分的容量大都只有8GB到32GB之间,这个区间无法作为系统盘来使用,只能作为数据缓存空间,Fusion Drive与其它方案相比容量更大。

  其次,Fusion Drive与其它方案最大的不同在于软件方面。一般大都采用英特尔的Smart Response技术,这是英特尔6系列芯片组提供的混合硬盘解决方案,而Fusion Drive与其不同,它涉及到OS X逻辑卷管理器Core Storage的虚拟化存储问题。Core Storage最早是在狮子版本中出现,它可以让操作系统把多个物理磁盘当做一个逻辑卷来对待。

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英特尔的Smart Response技术

  苹果最初使用Core Storage来加密整个磁盘,但现在,Core Storage的使用已扩大到美洲狮的Fusion Drive中。创建Fusion Drive十分简单。如果你有多个硬盘,你就可以使用一些简单命令来创建一个Fusion Drive。如果你购买了一台带有Fusion Drive的iMac或Macmini,那么就不需要自己动手去组建。

  与传统固态硬盘缓存架构不同,Fusion Drive并非真正的缓存,它会根据访问频率和可用空间,在固态硬盘与机械硬盘之间智能的进行数据移动。一个Fusion Drive的容量,实际上是其组成部分的总和。也就是说,一个1TB的Fusion Drive容量实际上是1TB加上128GB,一个3TB的Fusion Drive容量则是3TB加上128GB的总和,并没有将固态硬盘与机械硬盘完全分离开来。

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Fusion Driveb显示为一个磁盘硬盘(图片来自anandtech)

  从最新版本的磁盘工具Disk Utility可以看到,它把Fusion Drive显示为一个硬盘,标签为Macintosh HD。但苹果并没有隐藏它的Fusion Drive属性,在系统报告中,或者使用像iStat Menus这样的第三方工具,你可以看到两个硬盘的状况:

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系统报告中依然是两个硬盘(图片来自anandtech)

  值得注意的是,Fusion Drive中128GB固态硬盘容量被显示为121.33GB,这是因为自Mac OS X 10.6之后,苹果开始以10为基数显示容量,从这一点出发,只需要计算一下就可以知道这128GB容量有多少被用作了系统预留区域,而预留区域也有助于提升性能的一致性,从而获得更好的体验。

  此外,你也可以在Fusion Drive中创建Boot Camp或其他分区,不过这些分区都会被智能的分配到HDD上。

  由此可见,如果把其它大多数混合硬盘方案描述为“拼凑”的话,那么苹果的Fusion Drive则充分体现了“Fusion”的含义,具备智能化的融合方案在对于性能提升有着更大的助益。


第3页:Fusion Drive到底是如何工作的

  ·Fusion Drive到底是如何工作的

  那么Fusion Drive到底是如何工作的呢?它的原理究竟是怎样的?固态硬盘与机械硬盘之间存在着怎样的关系呢?下面我们通过小实验来了解这一点。

  测试所选用的是一台27英寸iMac,首先,使用128KB的顺序执行写入操作,队列深度为1,使用iStat Menus 4来监测两个硬盘的状态,可以从下面左侧图片中看出,只有Fusion Drive中的固态硬盘部分接收了最初的写入操作,而机械硬盘没有动静。固态硬盘的写入速度是233.7MB/s。不过在写入117GB数据之后,我们可以从下面右侧图中看出,机械硬盘接管了写入操作,速度在146.6MB/s左右,而且较为稳定。


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Fusion Drive写入数据时的工作状态(图片来自anandtech)

  从上面的测试中可以初步看出,Fusion Drive确实使用到了两个硬盘,并且其机制很有可能是先将固态硬盘部分的空间填满,之后再使用机械硬盘部分接受剩余的数据,固态硬盘的优先级更高一些。

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移动了一番数据和重映射LBA之后几乎所有的随机写入都到了SSD上,
速度也快了很多(图片来自anandtech)

  固态硬盘是一种由闪存作为存储介质的数据库存储设备。由于闪存和磁盘之间物理特性的巨大差异,现有的各种软件系统无法直接使用闪存芯片。因此,为了提供对现有软件系统的支持,往往会在闪存之上添加一个闪存转换层来实现此目的。固态硬盘就是在闪存上附加了闪存转换层从而提供和磁盘相同的访问接口的存储设备。

  接下来进行的IO测试,也就是固态硬盘在性能方面超过机械硬盘的地方,通常也是SSD缓存或用作混合方案功亏一篑的地方。首先我们尝试了最糟糕的情况,进行涵盖所有逻辑块地址的随机写入测试。从这个测试,我们可以了解苹果如何在Fusion Drive两个硬盘之间映射LBA(逻辑块地址)的。

  从测试结果来看,SSD和HDD都有写入活动,但HDD更多一些(消耗了更大比例的可用LBA)。普通的4KB(QD16)随机写入测试结果大约是0.51MB/s,它受到了Fusion Drive中机械硬盘部分的限制。

  但在随机写入任务结束之后,HDD和SSD之间出现了直接的数据移动。因为LBA是随机选择的,一些(相同或只是空间上相似的)地址可能被挑选了不止一次,这些逻辑块立即被标记为提升到SSD。

  对于消费级SSD来说,进行全覆盖的随机写入测试可能有点不公平,对SSD/HDD混合方案来说就更不公平了。要了解Fusion Drive处理随机IO的能力有多强,把随机写入测试限制在LBA的第一个8GB之内无疑是很合适的做法。

  测试结果有很大的不同。在第一轮中,平均速度大约是7MB到9MB/s,IO绝大部分都发生在SSD上,一小部分在HDD上。3分钟的测试后,Fusion Drive进行移动数据,之后又重复了一遍测试。在第二轮中,速度跳升到了21.9MB/s,更多的IO也发生在了SSD上。

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碎片增多之后速度明显下降(图片来自anandtech)

  在第三次测试中,几乎所有随机写入都发生在SSD上,峰值速度达到98MB/s,而碎片增多时,速度下降到最低35MB/s。由此可以猜测,苹果似乎依据访问频率,把LBA动态的映射到了SSD上,这是一个非常积极的性能提升方法。

  这是也是普通的SSD缓存方案和Fusion Drive之间的最大区别。大多数SSD缓存方案似乎都以读取频率为基础,而并非访问频率,而Fusion Drive至少是考虑了哪些LBA被频繁写入,同时把它们映射到SSD上。也正是因为这样,Fusion Drive对于性能的提升效果要好很多。

  此外,需要注意的一点是,如果用更多的数据和应用程序填充Fusion Drive(用真实的数据和应用程序填充到大约80%)时,随机写入性能能无法再次达到这样高的水平。在每次运行中,数据移动时间变短,随机IO发生在HDD和SDD的比例约为7:1。

  鉴于Fusion Drive中两种硬盘之间的容量差异,这个比例具有很大意义。如果你的工作负载包含大量随机写入,并且涵盖所有可用空间,那么Fusion Drive可能就不太适合你。不过这样的工作负载大多出现在企业级用户中,所以对于绝大多数家庭用户而言,以及普通办公用户而言,这应该不是问题。


第4页:Fusion Drive性能探秘

  了解了Fusion Drive的工作方式之后,其实际性能表现也就成为下一个需要了解的地方。一般的混合型硬盘之所以使用小容量SSD,原因就在于节约成本,但正如我们之前说过的,小容量SSD只能用作数据缓存空间,一般是无法把系统、软件安装在其中的。而Fusion Drive大容量固态硬盘的优势则非常明显。

  ·iPhoto导出TIFF格式图片测试

  其实想要测试出Fusion Drive的性能面临着一定的困难,因为它总是默认先写入到SSD。如果不把Fusion Drive填满,那么你写入的大量数据可能全部都会到SSD上。但是如果你完全将其填满,那么测试的数据集小于4GB,测试结果依然是SSD方面的性能。简而言之就是,常规测试方法难以对整个Fusion Drive性能给出测试结果。

  那么该如何解决这一问题,使测试结果表现出来覆盖两个硬盘呢?。首先,我们把Fusion Drive填充70%容量,这就意味着除去4GB缓存空间之外,SSD的容量快要满了。之后把含有703张照片的iPhoto图库导出为TIFF格式的照片。

  导出生成的文件相当大,当达到297张照片时,4GB的SSD写入缓冲区已经满了,所有后续导出的照片都会转到HDD上。我们为这个过程进行计时,然后把它跟iMac上的一个HDD分区做对比,也跟通过USB 3.0连接的一个三星830 SSD对比。下面我们来看看测试结果:


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在三种硬盘方案中使用iPhoto导出TIFF格式图片

  上图比较准确地给出了Fusion Drive的实际性能表现,它的性能要高于HDD且小于SSD。整个测试中,其速度提升不是很大,但这主要是因为我们使用了相对低的队列深度顺序传输。对于比较随机的工作负载,Fusion Drive和HDD差距会不断拉大。

  值得注意的是,如果我们一直对Fusion Drive进行非常大的顺序写操作(一个文件就高达260GB),最后它就不会再迁移数据到SSD了,除非你重新启动机器。

  ·Photoshop CS6启动速度对比

  固态硬盘与机械硬盘以及混合型硬盘相比,在实际使用时的最直接感受就是软件的启动速度,相信用过这三种方案的朋友对此感受更加深刻。一般来说,把软件安装在固态硬盘之后,启动速度非常快,尤其是像Photoshop、AutoCAD这种需要加载很多插件的软件,表现更为明显。那么接下来,我们就来看看Photoshop CS6在三种硬盘方案下的启动速度有何不同?

  iMac预装的应用程序,很多都默认在SSD上,但是一些后来安装的程序却不是这样。特别是Photoshop CS6,它有一部分在SSD上,而另一部分则在HDD上。对于工作负载太大,SSD无法单独处理时的Fusion Drive伪随机读取性能,这是一个很好的基准测试。下面我们看看Photoshop CS6在Fusion Drive上的启动时间,与在纯HDD分区上以及通过USB 3.0连接的三星830固态硬盘上的情况有何差异:

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Photoshop CS6启动速度对比

  相对于纯机械硬盘而言 ,Fusion Drive启动速度有明显改善,大约快了40%。然而,Fusion Drive的性能依然不及纯SSD。不过Fusion Drive的机制,如果Photoshop是你最常用的应用程序的话,那么它会被智能化的完全移动到SSD上。启动速度与在纯SSD上就会相差不大。这也是Fusion Drive相对于普通混合型硬盘方案的最大优势所在。


第5页:Fusion Drive有哪些不足之处

  说了这么多,虽然Fusion Drive性能不及纯SSD,但似乎没有什么明显的缺点。但在实际体验过程中发现,Fusion Drive是有一定限制和缺点的。

  ·Fusion Drive有哪些不足

  比如,Fusion Drive写入SSD是非常积极的,但你的数据越多,它的算法似乎就变得越保守。这倒并不是很让人震惊,但需要指出的是,在硬盘总使用量较低时,几乎一切都是在使用的SSD,这种过分的智能化使得用户本身失去了自由度。

  但是当应用程序的需要超过了Fusion Drive可以轻松应付的范围时,Fusion Drive对于“什么东西可以被移动到SSD”就变得更加挑剔。如果128GB的存储空间不够存储你所有的常用应用程序、数据和操作系统,那么你的Fusion Drive体验就与单纯的HDD相差不大了。

  在实际体验过程中,笔者使用Spotlight搜索花费的时间比纯SSD多,同时,并非所有的应用程序都是瞬间启动的,将照片从Safari添加到iPhoto需要的时间也更长一些,Fusion Drive虽然还不错,但如果你确实需要超过128GB以上的SSD,Fusion Drive可能并不适合你。

  ·结语

  Fusion Drive虽然还存在着一些缺陷,但是相对于普通的SSD+HDD混合方案而言,其实际体验还是要更加优秀一些,毕竟其SSD部分拥有128GB的容量,这就使得固态硬盘的区域能够干更多的事情,远非几个GB到20多GB容量可比。

  再者,Fusion Drive除了在硬件方面拥有优势之外,与之相配合的Core Storager软件赋予了其更高的智能化,虽然这种智能化在特定情况下有些过分,但这也可以说是苹果历来的特点。

  Fusion Drive更适合没有极大量数据、应用程序需求的普通用户,经常使用的程序会自动放到SSD上,而不经常动用的一些数据资源,比如电影片源、音乐文件、图片文件等都会保存在HDD上。就笔者个人而言,目前在使用的80GB SSD空间已经足够,128GB会更加充裕,但是如果你真的需要更大的空间的话,Fusion Drive的体验并不那么好。

  再一个就是,Fusion Drive到底值不值。苹果官网给出的方案是1TB+128GB为1940元,我们从天猫可以看到,128GB三星830硬盘的售价大致在800元左右,如果从普通商家处购买大约为600元左右,而一块儿1TB机械硬盘的价格为600元左右,两者单买的话大致为1200元左右,多出的700多元作为Fusion Drive的“技术费用”,这个到底值不值,就看大家的不同理解了。

  随着固态硬盘的价格不断下降,容量不断加大,未来机械硬盘很可能只作为数据存储媒介而存在,甚至会完全被淘汰,而且可以预见的是,作为一体电脑领域里的高端产品,iMac肯定会率先走上这样的道路。

责任编辑:AP014

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