发掘固态硬盘在软件创新方面的潜能

Ace Stryker，PC 软硬件产品营销主管

Solidigm 于 2021 年 12 月开始运营时，我们承诺要推出“固态存储的新范式”。这一全新思维方式针对行业中的棘手问题给出了解决方案，并为您带来了前所未有的用户体验。现在，我们正在兑现这一承诺。

查看 Solidigm Synergy™ 软件 2.0 的理念、功能和用户优势

在免费软件套件 Solidigm Synergy™ 软件 2.0 推出后，公司将一如既往地兑现此承诺，该软件套件具备一系列创新功能，可为我们的消费级固态硬盘提供支持并赋能。新的软件层填补了固态硬盘与主机系统之间的通信鸿沟，使响应能力和个性化程度进一步提升，甚至超过了仅依靠最佳硬件所能达到的水平。

Solidigm Synergy™ 软件组件

图 1. Synergy Toolkit 和 Synergy Toolkit 简明介绍

硬件和固件提升了性能

 

长期以来，借助硬件创新，消费级固态硬盘的性能得以提升，容量更高，成本也有所下降。其中包括：

• NAND 介质的速度和密度（每单元位数）更高
• PCIe 接口的演进

与此同时，固件的进步以各种方式提升了产品的品质。一个很好的例子是 SLC 缓存（静态和动态实现），它允许固态硬盘将最近写入的数据存储在驱动器的某个部分，以便用户稍后再次需要时能够更快访问。

软件缘何重要？

尽管对传统消费级固态硬盘进行了各个方面的改进和优化，但它在某些重要方面仍然存在一些固有限制。固态硬盘依赖于通用策略，此类策略对于不同类型的用户来说可能并不是最佳选择。例如，与使用相同设备的玩家不同，办公室员工可能会从其他存储设置中受益。

而且，至关重要的是，即使是最高端的固态硬盘也完全不知道实际上存储了什么内容。它从逻辑块地址 (LBA) 的角度来看待世界，而对于它们是代表了一张照片、一个文本文件，还是您一直在创作的向 Nickelback 乐队致敬的卡祖笛音乐，则毫无感知。

图 2. Solidigm Synergy 策略

而这正是软件（尤其是存储驱动程序）发挥作用的地方。通过在主机和存储设备之间搭建桥梁，软件可以为固态硬盘提供切实可行的见解，而这在以前不可能实现。对您有何意义？接下来，本白皮书详细讨论了 Solidigm 在其最新版 Solidigm Synergy™ 软件中提供的各项创新和功能，包括工具包和驱动程序。但我们先讨论关键一个问题：这些创新和功能对于你们最终用户来说缘何重要？它对您的日常利用 PC 进行工作和娱乐的体验有何改善？毕竟，如果对于您最常利用电脑从事的活动没有任何具体的好处，那么这一切只是营销手段。

图 3. Solidigm Synerg 性能指标

事实证明，对于所有类型的用户，都能带来显著的具体优势。我们将用户分为几个高级类别，然后逐一讨论。

日常用户

• 经常利用系统玩 AAA 游戏的人，其操作包括大型安装和大量加载各种大型文件。

内容创作者 

• 执行大量媒体操作（处理照片、视频、音频等）的人，他们要混合处理各类大小文件，进行读写操作，经常还要开展多任务处理，因而对 PC 提出了独特要求。

1. 日常用户 

日常的 PC 用途与敲击键盘的人一样多种多样。其中包括启动 PC、浏览网页、简单办公（比如 Microsoft Office 应用程序）等等。

对于这类活动，Solidigm Synergy™ 的一个有价值功能是快速通道，它优化了 SSD 缓存空间（驱动器的“快速访问”区域）的使用。在探索 Synergy Driver 的过程中，我们将更深入地了解“快速通道”的机制，因为许多用户在存储空间不足时往往会出现 PC 速度变慢，体验感下降的情况。

对大多数用户来说，另一个主要改进是缩短了 PC 启动的时间。没有人喜欢坐在那里等待系统完成加载任务。您希望进入桌面，开始进行任何您打算执行的任务。响应式存储的目标是避开技术难题，尽可能提高您的工作效率。

此外，还有一些存储基准测试工具，这类工具可以有效衡量整体的 PC 用户体验。其中一个备受推崇的工具是 PCMark 10，这是 UL 推出的一款应用程序，它主要根据常见应用程序（包括 Microsoft Office 和 Adobe Creative Cloud 套件）中实际工作负载的运行情况，输出标准化分数。PCMark 10 还有一个优势，即提供一组测试，以衡量特定系统资源（如存储设备）的性能。这就是该工具的全系统驱动器和快速系统驱动器基准测试背后的理念。

尽管并非所有自称为存储基准测试工具的工具都可用于评估实际用户体验，但我们认为，PCMark 10 存储测试在反映实际用户体验方面表现最为出色。

2. 游戏玩家

与常规使用相比，PC 游戏，特别是预算较高的 AAA“重磅炸弹”类游戏，往往会对您的固态硬盘提出相对细分但更为严苛的要求。在初始安装后，游戏工作负载往往需要从磁盘读取大量内容，远多于向磁盘写入的内容。这具有直观意义：大多数 I/O 操作来自启动游戏、加载保存状态和加载游戏中的新关卡。

这些游戏工作负载读取往往具有如下特点：

• 大部分读取本身为顺序进行

而这方面正是 Solidigm Synergy™ 软件的一项名为智能预取的新功能的用武之地。此功能通过从上述各类数据流中检测出高度可预测的数据流，并在用户应用程序（在本例中是您的游戏）提出要求之前，以系列形式交付后续各项。因而，智能预取可降低延迟并缩短加载时间，特别是在游戏依赖于小批次传输的大量顺序读取的情况下。

在稍后详细讨论智能预取时，我们将研究具体的工作负载，以及这项功能如何满足 PC 游戏的特定需求。

3. 内容创作者

内容创作者，即经常处理视频、音频或照片材料，从事媒体制作的人，即使采用适应力最强的存储设备，也会面临一系列独特的挑战。

根据项目阶段的不同，工作中可能涉及的写入操作较多，读取相对少一些，也有可能是相反的情况。根据个别项目的性质，可能需要大量的小型 I/O 操作（通常是随机操作），或者需要少量的大型顺序读取或写入操作。因此，所有性能向量的小幅改进均有助于提升整体的“响应能力”，或者有助于提升系统在工作日中诸多小方面的表现。出于此目的，动态队列分配这项功能可提高读取和写入性能，特别是对于本质上随机进行的那些操作。此功能的工作方式为动态优化完成 I/O 请求所用的 CPU 内核数量。换句话说，如果某些内核相较于其他内核而言不太繁忙，则驱动程序可以重新分配工作，以避免出现 CPU 瓶颈。

应用程序启动是最常见且最重要的活动之一，在此期间，存储性能会严重影响用户体验。每个人都有过这样的体验，在桌面上点击图标，仅出现加载屏幕（或者更糟糕的情况是，完全没任何反应），正常情况下应用程序应该加载并可供用户使用。

Solidigm Synergy™ Toolkit

我们的工具包相当于半个软件套件，用户将定期与之交互。出于这个原因，我们专注于打造优质设计，以提升您的用户体验。随着 Solidigm Synergy™ 2.0 的发布，我们从头重新设计了 Windows 应用程序，花费了大量额外时间，确保 UI 达到同类最佳水平，因此所有工具和驱动器报告功能都非常直观且易于访问。

图 4. Solidigm Synergy Toolkit 仪表板

无论您使用的是 Solidigm SSD 还是我们竞争对手的固态硬盘，您都可以从 Solidigm Synergy™ 软件功能集中受益。除了我们自己的固态硬盘之外，我们还选择向第三方固态硬盘开放工具包中的几乎所有功能。Synergy 2.0 的唯一例外是快速通道管理，该功能依赖于驱动器固件中的具体细节，Solidigm 以外的驱动器无法使用。

主要功能

有关工具包功能的详细讨论，请查看 Solidigm Synergy™ Toolkit 用户指南。下面仅作简要总结：

Solidigm Synergy™ 驱动程序

我们已经讨论过 Solidigm Synergy™ 软件用户所获得的一些性能改进。现在我们来深入探究，看看它们的工作原理。

快速通道（前身为主机端缓存管理）

快速通道解决了第一代固态硬盘 (SSD) 能够在每个单元存储多个位的问题。随着这些驱动器的发展，SLC (单级单元) 缓存出现。NAND 缓存的架构超出了本白皮书的范围，但目前销售的每款固态硬盘均将此类缓存用作驱动器上的“快速访问”区域。

相对较小的缓存中数据的加载速度最快，而存储在缓存之外较大区域中的数据往往加载速度要慢一些。

从用户体验的角度来看，相关因素如下：

固态硬盘填满后，缓存空间会缩小，以便为其他文件腾出空间。这是一种称为“动态”缓存的行业标准行为。
• 若无快速通道的助力，固态硬盘对缓存空间的使用会过于简单：写入到驱动器的每项新内容（即保存的每个文件）都会直接进入缓存，直到更新的内容最终将其淘汰出局。我们称之为“数据跑步机”效果。

因此，当您的驱动器已被占用 50% 或更多空间时，有两件事会变得较为复杂：1) 您（可能）会在某个时刻想要访问驱动器上的更多数据，以及 2) 可用于快速提供数据的缓存空间更少。这会导致在典型固态盘的使用寿命内，存储速度普遍放缓。

出于这些原因，更充分地利用有限的缓存空间变得越来越重要。而这就是快速通道的意义所在。它会观察您的实际使用情况，确定哪些文件和应用程序对您最为重要，然后优先将这些项保留在缓存中。

此方法所带来的主要优势是性能的一致性。通过优化缓存中的内容，您将更有可能快速访问最重要的数据。与传统的缓存相比，随着驱动器逐渐被填充，相应的，缓存空间逐渐减小，这种可能性会进一步增加，因为传统方法已经对缓存内容做出了次优决策（仅根据写入的最近时间），且现在在越来越小的缓存空间中依然沿用此类决策。

使用快速通道后，与未采用该功能的相同系统比较，我们发现，在占用量为 50% 的驱动器上，QD1 随机读取速度（响应能力的关键驱动因素）提升了高达 120%。

需要注意的一点是：当驱动器即将填满或完全填满时，快速通道几乎起不了任何作用，因为动态缓存空间缩减太多，有关在其中存储何种内容的明智决策几乎已无关紧要。同样，您可能已经猜到，对于空驱动器，该功能也不会显著改善用户体验，因为缓存空间非常充裕，即使是传统方法也能将驱动器上存储的每个数据位都保存在缓存中。

当驱动器占用空间在 25% 到 75% 之间时，快速通道的优势最具价值，Solidigm 认为，在现实世界中，大多数情况下都是如此。

智能预取

在读取操作中，我们可以将每个操作描述为顺序操作或随机操作。

• 之所以称为顺序操作是因为其涉及的是存储设备上的连续“数据块”，通常（但并非总是）在个别大型文件传输期间发生。
• 当驱动器从存储数据中的一个位置跳转到另一个位置以服务 I/O 请求时，会发生随机操作，通常（但并非总是）涉及的是较小的文件。

根据我们的内部工作负载分析，游戏领域需要处理庞大的模型、纹理、音频文件和其他素材，因而比任何其他 I/O 类型都更依赖于顺序操作。例如，在《艾尔登法环》中加载新关卡时，请考虑以下操作细分：

 基于内部 Solidigm 研究的工作负载分析。

关键要点

1. 在关卡加载期间传输的 781MB 数据中，有 87% 的数据是以顺序读取操作形式移动的。
2. 在这些顺序读取中，展示出了各种不同的传输大小，从操作数量看，最常见的是极小 (4KB) 和极大 (2MB) 的读取。

在讨论游戏时要考虑的另一个因素是队列深度 (QD)，该指标用于衡量在任一时间，固态硬盘控制器有多少未完成的 I/O 命令处于暂挂状态。还有一点很重要，那就是要明白，绝大多数实际活动都在队列深度为 1 (QD1) 的情况下进行，或者换言之，没有队列，固态硬盘处理请求的速度刚好跟上请求进入的速度。

在我们《艾尔登法环》的例子中，整个关卡加载的平均 QD 为1.2，耗时 7 秒，包含数万次 I/O 操作。

Solidigm Synergy™ 软件的一项名为智能预取的新功能正是由此而生。利用该功能，驱动程序可以检测何时发生了高度可预测的读取操作流，即在队列深度较低的情况下，本质上是连续进行的操作。它会利用这些信息在用户应用程序请求之前“预取”数据。

本质上说，是固态硬盘在 Solidigm Synergy™ 驱动程序的帮助下对 PC 说：“我发现你已经请求了 A、B、C 和 D。我确定你接下来会请求 E、F 和 G，所以我将在你请求之前先为你提供。”结果是顺序读取速度有了显著提高，尤其是在传输量较低的情况下，请求数量可能飙升至数千个，其中每一个都会向总完成时间引入了一瞬间的等待时间。

动态队列分配

此外，驱动程序试图识别出存储密集型工作负载可能在固态硬盘之外造成系统资源瓶颈的位置，进而优化用户体验。当接收、处理和路由 I/O 请求以进入完成状态时，如果（比如）向本已繁忙的核心发送了太多次完成，可能会造成 CPU 出现瓶颈。

动态队列分配可通过将 I/O 完成状态动态路由至不太繁忙的 CPU 核心来缓解这一问题。如今的 PC 配备的处理器通常拥有八个或八个以上的核心。借助此功能，您可以更充分地利用这些核心，确保不会在等待一个繁忙核心上超大量操作完成的同时，其他核心则处于空闲状态。

未来发展

发布 Solidigm Synergy™ 1.0 时，我们向您承诺旅程才刚刚开始。公司的使命是“开创固态存储领域的新范式”，这并不仅仅是一句悦耳动听的营销口号。

2.0 版本基于这一承诺，引入了现代 UI 和激动人心的性能优化。我们对该版本中的技术创新以及工程团队（硬件、固件和软件）与规划和营销团队之间的密切合作感到自豪，同时更要感谢我们的客户，他们自始至终为我们提供关键反馈，正是在这些反馈的指导下，一切才得以实现。

图 5. Synergy 软件、固件和硬件工作流

我们的使命尚未完成。这是多年探险之旅的第二个阶段，面临诸多可能出现的挑战。相信未来我们还将作出重大改进和优化，我们将满怀热忱，持续开发并不断完善，力争带来理想的用户体验。

敬请期待——未来还有更多精彩内容。