隨著節(jié)目制作的發(fā)展，高清、3D及4K等更高要求的制作標(biāo)準(zhǔn)被發(fā)布，非線性編輯網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用中對存儲體的要求也越來越高，使用旋轉(zhuǎn)盤片結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機械硬盤在高端應(yīng)用中已經(jīng)越來越顯得力不從心。固態(tài)硬盤（SSD，Solid State Disk）在這方面比之傳統(tǒng)機械硬盤有著無與倫比的優(yōu)勢，如沒有尋道時間，對任何地址的訪問耗費開銷都相等，隨機IO性能好等，將是構(gòu)成未來高清制作網(wǎng)存儲系統(tǒng)中的重要組成部分。但同時由于固態(tài)硬盤技術(shù)本身的原因，容易產(chǎn)生硬盤損壞，如何在享受固態(tài)硬盤優(yōu)異性能的同時保證數(shù)據(jù)安全、降低系統(tǒng)使用費用，是非線性編輯網(wǎng)將要面臨的問題。
一. 固態(tài)硬盤技術(shù)及其優(yōu)點
固態(tài)硬盤是一種利用Flash芯片或者DRAM芯片作為永久數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的硬盤，前者稱為NAND FLASH DISK，后者稱為RAM-DISK。由于在外部電源斷開后，RAM-DISK必須使用電池維持硬盤數(shù)據(jù)，價格昂貴，應(yīng)用環(huán)境受到較大限制，所以現(xiàn)在常用的固態(tài)硬盤基本以Flash芯片介質(zhì)為主。
以FLASH芯片為介質(zhì)的存儲單元分為兩類：SLC（單層單元）和MLC（多層單元）。SLC（單層單元）的特點是成本高、容量小、速度快；而MLC的特點是容量大成本低，寫入速度和IOPS低于SLC。MLC每個單元存儲容量為2bit，相對SLC來說整整多了一倍。不過，正是由于每個MLC存儲單元中存放的資料較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，出錯的幾率會增加，必須進行錯誤修正，這個動作導(dǎo)致其性能大幅落后于結(jié)構(gòu)簡單的SLC。此外，SLC閃存的優(yōu)點是復(fù)寫次數(shù)多達(dá)10萬次，比MLC高10倍。
Flash存儲芯片和其它所有類型的ROM一樣，使用一種名為“浮動門場效應(yīng)晶體管”的晶體管來保存數(shù)據(jù)，每個這樣的晶體管稱為一個單元（Cell）。每個單元（CELL）由Controler Gate(控制門)、Floating Gate（浮動門）、半導(dǎo)體二氧化硅絕緣層以及輸入端和輸出端導(dǎo)線等邏輯元件組成。當(dāng)多個單元串并聯(lián)時，將每個單元串上所有單元（Cell）串聯(lián)起來的導(dǎo)線稱為BitLine（位線），將多個并聯(lián)的單元串中相同位置的單元水平貫穿起來的導(dǎo)線稱為WordLine（字線）。
通過單元（CELL）組成固態(tài)硬盤的最小文件存儲單位稱為Page（頁），通常有4KB和8KB兩種，Page上面一層的組織是Block（塊），由128或者512個Page組成一個Block。一定數(shù)量(2的冪次方)的block構(gòu)成更高一級的結(jié)構(gòu)Plane，若干個Plane組成一個芯片，多個芯片組成一個固態(tài)硬盤。在固態(tài)硬盤的設(shè)計中，任何文件占用的空間必須是整個Page，即讀數(shù)據(jù)時必須以Page為單位進行讀取，而擦除和寫入的時候必須以整個Block為單位進行擦除。
固態(tài)硬盤與傳統(tǒng)機械硬盤比較，擁有以下優(yōu)點：
1. 啟動快，沒有電機加速旋轉(zhuǎn)的過程。
2. 不用磁頭，沒有在傳統(tǒng)機械硬盤中影響效率的磁盤尋道時間，可以快速隨機讀取，讀延遲極小。
3. 相對固定的讀取時間。由于尋址時間與數(shù)據(jù)存儲位置無關(guān)，因此磁盤碎片不會影響讀取時間。
4. 能耗低，發(fā)熱量少
5. 內(nèi)部不存在任何機械活動部件，不會發(fā)生機械故障，也不怕碰撞、沖擊、振動。
二. 固態(tài)硬盤技術(shù)中存在的問題
雖然固態(tài)硬盤有著傳統(tǒng)機械硬盤不可比擬的優(yōu)勢，但因為固態(tài)硬盤的技術(shù)特征，仍然有一些問題需要在使用時加以注意：
1. 因Erase before Overwrite產(chǎn)生的寫懲罰問題
對于固態(tài)硬盤，要對一個Block進行寫入，不管Block中原來的數(shù)據(jù)是1還是0，新寫入的數(shù)據(jù)是1還是0，必須先通過Erase操作把Block全部寫為1，然后才能向Block寫入新數(shù)據(jù)，這種過程稱為Erase before Overwrite。對于整個BLOCK或者更大單位的數(shù)據(jù)改寫時，這種技術(shù)設(shè)定不會產(chǎn)生什么問題，但是當(dāng)對較小的數(shù)據(jù)存儲單元如PAGE進行修改時，就會有問題出現(xiàn)了：
假設(shè)當(dāng)我們需要更改某個PAGE的數(shù)據(jù)時，其操作為：
·先將整個BLOCK的數(shù)據(jù)讀入固態(tài)硬盤的緩存區(qū)（RAM）
·通過ERASE操作改寫整個BLACK全部為1
·將待寫入的數(shù)據(jù)PAGE中的內(nèi)容，在固態(tài)硬盤的緩存區(qū)中替換掉舊PAGE中的內(nèi)容
·將固態(tài)硬盤緩存區(qū)中的整個BLOCK內(nèi)容回寫到固態(tài)硬盤上
假設(shè)此時Block和Page分別為512KB和4KB時，為了寫入1個Page（4KB）的數(shù)據(jù)，必須先讀出512KB的數(shù)據(jù)到RAM上，修改RAM中的數(shù)據(jù)后將512KB數(shù)據(jù)回寫到固態(tài)硬盤上，此時就會產(chǎn)生所謂的“擴大寫懲罰“問題，即為了寫入4KB的數(shù)據(jù)，而實際上寫入了512KB的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了512KB/4KB = 128倍的懲罰，這就大大增加了開銷。
2. FreeSpace為0時導(dǎo)致的寫動作懲罰
當(dāng)固態(tài)硬盤為全新或剛被全部Erase操作以后，所有的Block對于文件系統(tǒng)或固態(tài)硬盤來說都是空閑空間（FreeSpace），此時該空間的狀態(tài)被標(biāo)記得ERASE，往這種空間寫數(shù)據(jù)時沒有寫動作懲罰。
隨著數(shù)據(jù)的寫入，固態(tài)硬盤會將曾經(jīng)被寫入的Block都記錄下來，被用的BLOCK在使用時就需要進行重新ERASE操作。對于文件系統(tǒng)來說，刪除文件并不是向這個文件對應(yīng)的存儲介質(zhì)空間覆蓋寫入全0或者全1的過程，而只是對元數(shù)據(jù)的更改，所以只會更改元數(shù)據(jù)對應(yīng)的存儲介質(zhì)區(qū)域。因此，刪除文件的過程并沒有為存儲介質(zhì)釋放FreeSpace，對固態(tài)硬盤來說FreeSpace只會越來越少，最后導(dǎo)致沒有FreeSpace，每個寫動作都產(chǎn)生寫懲罰。
也就是說，對于一塊使用時間非常久的固態(tài)硬盤來講，就算它被掛載到文件系統(tǒng)之后，其上沒有檢測到任何文件，但其中的FreeSpace也可能是0，限制了SSD的效率。
3. Wear Off
固態(tài)硬盤是使用Floating Gate（浮動門）的充電和放電來保存和釋放每個單元其中的數(shù)據(jù)，使用絕緣層來隔絕電子流動來保持?jǐn)?shù)據(jù)。隨著固態(tài)硬盤的長期使用，特別是大量寫操作之后，絕緣層的絕緣能力將遭到損耗，最后無法保證Floating Gate（浮動門）中保有足夠的電勢時，數(shù)據(jù)就會丟失。當(dāng)固態(tài)硬盤檢測到一個Bitline（字線上）的Floating Gate（浮動門）電勢不一致時，整個BitLine就會被被判讀為損壞，即Wear Off。一個損壞的Cell將拖累整個Page被標(biāo)記為損壞。損壞的Page對應(yīng)的邏輯地址將被重定向映射到其它完整的預(yù)留Page。在某些場合下，特別是對于頻繁寫的場合，很可能在短時間內(nèi)就達(dá)到MLC或SLC的可擦寫壽命上限，導(dǎo)致預(yù)留Page被迅速耗盡，從而導(dǎo)致整塊固態(tài)硬盤失效。
三. SSD的延壽使用
為了避免因為固態(tài)硬盤失效而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，以及降低固態(tài)硬盤存儲因為硬盤失效更換而產(chǎn)生的額外維護費用，在固態(tài)硬盤使用時必須注意：
1. 確保固態(tài)硬盤運行在AHCI模式下，并且操作系統(tǒng)使用WINNT6.1或者更新版本
先從操作系統(tǒng)說起，固態(tài)硬盤的興起畢竟不是很長時間，微軟從windows NT6.1系統(tǒng)才開始對固態(tài)硬盤提供完美的支持，這其中最重要的是支持TRIM指令。
TRIM是ATA指令的一種，并在WINDOWS NT6.1（WINDOWS 7以及WINDOWS SERVER 2008R2）中首次實現(xiàn)。這個指令的作用是標(biāo)記已刪除的文件，并且通知固態(tài)硬盤主控制器可以在空閑時間擦除這些文件對應(yīng)的Block塊，這樣可以將擴大寫懲罰的任務(wù)量分散到固態(tài)硬盤硬盤的非繁忙時間，從而提升了固態(tài)硬盤硬盤的效率。
TRIM指令只能在ACHI模式下通過特殊版本的ACHI控制器驅(qū)動才可以傳輸，并不是說系統(tǒng)支持TRIM主近代也支持TRIM就能用，驅(qū)動也必須要支持。另外ACHI模式下開啟NCQ（原生命令隊列）之后對于隨機寫性能的提升是成倍數(shù)的，效果非常明顯。
本項通常是對應(yīng)于配備固態(tài)硬盤的非線性編輯單機，要求其采用WINDOWS 7以上的操作系統(tǒng)而非采用WINDOWS XP操作系統(tǒng)，可以大大提升SSD硬盤的讀寫效率。對于非線性編輯網(wǎng)絡(luò)的共享存儲系統(tǒng)時，亦需要注意到各個直接連接到存儲系統(tǒng)的非編站點是否具有上述功能。
2. 務(wù)必“4K對齊”[page]
傳統(tǒng)的機械硬盤在格式化時，通常設(shè)置為以4K（4096字節(jié)）作為一個扇區(qū)，所謂“4K對齊”就是符合“4K扇區(qū)”定義格式化過的硬盤，并且按照“4K 扇區(qū)”的規(guī)則寫入數(shù)據(jù)。因為在較早的NTFS6.x 及之前的規(guī)范中，數(shù)據(jù)的寫入點正好會介于在兩個4K 扇區(qū)之間，也就是說即使是寫入最小量的數(shù)據(jù)，也會使用到兩個4K扇區(qū)，顯然這樣對寫入速度和讀取速度都會造成很大的影響。如果固態(tài)硬盤碰上“4K不對齊”的情況，不但會極大的降低數(shù)據(jù)寫入和讀取速度，還會造成固態(tài)硬盤不必要的寫入次數(shù)，這種情況通常會出現(xiàn)在對大量小文件的寫入性能上，極端情況下可能會產(chǎn)生數(shù)倍的差距。
3. 不能使用碎片整理功能（Defrag）
傳統(tǒng)的機械硬盤由于尋道時間限制，如果文件是以連續(xù)形式存放于硬盤上，在讀文件的時候會有較好的效率，所以才產(chǎn)生了碎片整理的概念和工具，利用工具將不連續(xù)的數(shù)據(jù)碎片遷移為較為連續(xù)的物理存儲狀態(tài)。但是對于固態(tài)硬盤來說，它的結(jié)構(gòu)和組織方式和機械硬盤截然不同，IO性能不受文件存放位置影響，相反如果對固態(tài)硬盤使用傳統(tǒng)的碎片整理工具，在碎片整理過程中會對硬盤進行大量的寫操作，將會對固態(tài)硬盤壽命帶來不必要的縮短。
4. 將頁面文件（Page File）轉(zhuǎn)移到固態(tài)硬盤以外的硬盤上
Windows的頁面文件本該是作為操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存存在，用于在內(nèi)存被用完時起代替代內(nèi)存的作用。在如今的非編站點內(nèi)存普遍較大的情況下，Windows的內(nèi)置機制卻仍然會頻繁使用頁面文件，而頁面文件的功能是不能夠徹底關(guān)閉的。如果該頁面文件位于固態(tài)硬盤上，會產(chǎn)生大量寫操作，消耗固態(tài)硬盤的壽命。所以在電腦上最好多安裝一個機械硬盤，將頁面文件移到機械硬盤上。
5. 關(guān)閉索引服務(wù)（Indexing Service）
Windows的索引服務(wù)會建立一個龐大的數(shù)據(jù)庫，對每一個文件的創(chuàng)建、修改、刪除都記錄在案。這個服務(wù)的目的是為了更快的搜索文件，但是這個功能很少直接被應(yīng)用到非線性編輯網(wǎng)絡(luò)中（更通常是在非編軟件的資源管理器，通過非編軟件的數(shù)據(jù)庫去搜索文件）。所以這樣一個服務(wù)在絕大多數(shù)的情況下只起到拖慢系統(tǒng)速度的作用。另外，頻繁的讀寫對固態(tài)硬盤的壽命也帶來不利影響，所以建議還是關(guān)掉這個服務(wù)。
通過上述的幾種要點，其目的都是盡量減少固態(tài)硬盤使用中的不必要寫入次數(shù)，從而延長固態(tài)硬盤的使用壽命，降低數(shù)據(jù)損壞的風(fēng)險和系統(tǒng)日常維護費用。
四. 固態(tài)硬盤的新技術(shù)發(fā)展
通過上述的做法只能延長固態(tài)硬盤的使用壽命，但仍不能從根本上解決固態(tài)硬盤的問題。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，固態(tài)硬盤的新技術(shù)亦給我們的帶來新的應(yīng)用模式：
1. 使用固態(tài)硬盤芯片作為傳統(tǒng)機械硬盤的緩存
既然單獨使用機械硬盤或固態(tài)硬盤均不能滿足用戶的需要，那么將兩者結(jié)合起來會產(chǎn)生什么樣的效果呢？
服務(wù)器級機械硬盤現(xiàn)在主流使用64MB的RAM作為緩存，這已經(jīng)能夠較好地提升機械硬盤的效能，如果在此基礎(chǔ)上將數(shù)十GB級的固態(tài)硬盤芯片作為機械硬盤的緩存使用，將產(chǎn)生如下效果：
（1）使用固態(tài)硬盤芯片作為緩存，比之使用RAM芯片作為緩存，讀寫速度僅相差不到10%，而固態(tài)硬盤芯片與傳統(tǒng)機械硬盤則有著50到300倍之間的巨大落差，完全可以將固態(tài)硬盤芯片取代RAM芯片作為硬盤的緩存使用；
（2）使用GB級別的固態(tài)硬盤芯片作為機械硬盤緩存，比之使用MB級別的RAM作為機械硬盤緩存，可以極大地提升緩存數(shù)據(jù)的命中率，使大量的數(shù)據(jù)讀操作從較慢的機械旋轉(zhuǎn)式硬盤中讀出變成從較快的固態(tài)硬盤緩存中讀出，從而提高硬盤的讀寫效率。
（3）用于緩存的固態(tài)硬盤芯片可以使用更高速的DRAM芯片取代FLASH芯片，由于DRAM芯片沒有FLASH芯片固有的Erase before Overwrite、0 FreeSpace和Wear Off問題，使固態(tài)硬盤燕片的使用壽命延長。而作為緩存使用的DRAM固態(tài)硬盤芯片無須考慮在斷電情況下長期保存數(shù)據(jù)所需要的電池問題，僅需要保證在斷電情況下數(shù)據(jù)從固態(tài)硬盤到機械硬盤的傳輸時間供電，從而大幅降低固態(tài)硬盤部分的造價。
此類技術(shù)，如Intel Smart Response（英特爾智能響應(yīng)）等等，已經(jīng)可以讓用戶能夠把固態(tài)硬盤（部分或全部容量）用作于機械硬盤（單塊或RAID陣列）高速緩存,讓整機系統(tǒng)獲得接近于固態(tài)硬盤的讀取/寫入性能，同時還能保留機械硬盤容量大的優(yōu)勢。
2. 使用固態(tài)硬盤的存儲融合服務(wù)器
目前電視臺所用的在線存儲主要使用8Gb/s的光纖通道作為傳輸載體，和目前的PCIe總線速度相當(dāng)。而英特爾第2代的PCIe將達(dá)到20Gb/s，第3代將達(dá)到100Gb/s，這將是一個很大的提高，也意味著服務(wù)器將等待網(wǎng)絡(luò)存儲的時代又一次來臨。
而不管是NAS還是SAN，在連接速度上都比不上DAS，因此將存儲集成到站點內(nèi)部是一個可以大幅提高存儲讀寫速度的辦法。這種存儲所帶來的優(yōu)勢是將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存的速度比以往更快了，固態(tài)硬盤將毗鄰站點內(nèi)存，從而提供一個更快的存儲層。
也就是說，未來對于需要高速讀取數(shù)據(jù)的站點來說，固態(tài)硬盤將是介于內(nèi)存和傳統(tǒng)機械硬盤的高速存儲層，直接通過PCIE總線與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換，再通過SAS/SCSI/SATA接口與傳統(tǒng)機械硬盤進行數(shù)據(jù)交換。
相比之于上面的“使用固態(tài)硬盤芯片作為傳統(tǒng)機械硬盤的緩存”方式，其提供的緩存存儲層容量更大，但仍然沒有脫離“將固態(tài)硬盤作為傳統(tǒng)機械硬盤的緩存”的模式，數(shù)據(jù)并不是長期保存于固態(tài)硬盤上。
上述技術(shù)，已經(jīng)在DELL的服務(wù)器以“0層存儲”的名稱得到應(yīng)用，DELL的“流動數(shù)據(jù)”架構(gòu)在EqualLogic和Compellent基礎(chǔ)上進行了擴展，通過RNA Networks的技術(shù)實現(xiàn)了上述功能，基于閃存的服務(wù)器運行數(shù)據(jù)庫查詢的速度比目前這一代要快60倍。
3. 具備固態(tài)硬盤存儲層的智能型分層存儲
當(dāng)存儲容量和讀寫頻度增加到一定程度之后，僅僅將固態(tài)硬盤作為傳統(tǒng)機械硬盤系統(tǒng)的緩存也會產(chǎn)生問題，主要在于隨著緩存層的容量增大，大量的讀寫操作均發(fā)生在作為緩存層的固態(tài)硬盤上，而作為實際存儲層的傳統(tǒng)機械硬盤速度與之相差太遠(yuǎn)，需要有管理機制來協(xié)調(diào)兩者之間數(shù)據(jù)遷移操作業(yè)務(wù)。如：
·通過存儲策略，以數(shù)據(jù)的最近使用時間和頻度來判斷緩存層的數(shù)據(jù)是否有回寫到傳統(tǒng)機械硬盤的必要。將高頻度使用的數(shù)據(jù)保存于固態(tài)硬盤中，并將一定時間未使用的數(shù)據(jù)回遷到機械硬盤中，騰出固態(tài)硬盤中的存儲空間。
·通過遷移策略，將數(shù)據(jù)回寫的時間調(diào)整到非業(yè)務(wù)繁忙時間，從而使固態(tài)硬盤在業(yè)務(wù)繁忙時間集中于關(guān)鍵業(yè)務(wù)上。
具備固態(tài)硬盤存儲層的智能型分層存儲已經(jīng)在多個不同廠商的不同產(chǎn)品中得到實現(xiàn)。其中固態(tài)硬盤可以是一種插卡式擴展存儲（如Fusion IO的IO memory平臺）也可以是直接設(shè)計到存儲系統(tǒng)中的分級存儲盤箱，其關(guān)鍵點不在于固態(tài)硬盤存儲而在于實現(xiàn)智能化分層存儲的技術(shù)與后臺引擎。如自動分層存儲技術(shù)先驅(qū)廠商Compellent（已在2010年底為Dell并購）的Storage Center系列存儲設(shè)備與Data Progression自動分層存儲技術(shù)；EMC的Fully Automated Storage Tiering（FAST和FAST VP）技術(shù)等等。
五. 結(jié)語
無疑，SSD相對于傳統(tǒng)機械硬盤來說，優(yōu)點是很明顯的，但同樣缺點也很明顯。無論是應(yīng)用于非編站點單機本地存儲，還是應(yīng)用于非編網(wǎng)絡(luò)的共享存儲，SSD都能勝任，除了價格較高和讀寫次數(shù)較為有限的缺點之外，SSD在非線性編輯網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將會越來越廣，而各種結(jié)合SSD與傳統(tǒng)機械硬盤的技術(shù)，不論是在硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)層面、兩種介質(zhì)間的融合層面還是分層存儲層面，其目的都是在保持SSD的高性能的同時提高它的穩(wěn)定性，而隨著新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，我們也期望著更快（讀寫速度更快）、更高（IOPS更高）、更強（穩(wěn)定性更強）的存儲系統(tǒng)，為廣電行業(yè)的制作網(wǎng)提供更好的基礎(chǔ)技術(shù)平臺。B&P