DirectFlash 是什麼？它如何運作？

Pure Storage® DirectFlash®  是創新的快閃管理解決方案，包含 Purity 軟體與 DirectFlash 模組，兩者皆能獨立升級，不中斷升級。

以下是運作方式、不同之處，以及您需要的原因。

快閃儲存概覽

Toshiba 於 1980 年發明的快閃記憶體，又稱為快閃記憶體儲存，是一種非揮發性記憶體（意即不需要連續電源），可以電子方式清除與重新程式化。

快閃式記憶體的兩種主要類型

快閃式記憶體有兩種主要類型：NOR 和 NAND，依使用的邏輯閘類型，在電路層級上有所不同。目前，NAND 快閃記憶體佔快閃記憶體市場的 95% 以上，且幾乎在所有非嵌入式快閃記憶體設備中使用。

在 NAND 類別中，記憶體有各種類型，根據每個記憶體單元儲存的位元數進行分類，包括：

• SLC：每個單元一（單一）位元
• MLC：每個儲存格兩個（或多個）位元
• TLC：每個單元三位元
• QLC：每個單元四（四）位元

什麼是 DirectFlash 模組（DFM）儲存？

DirectFlash 是 Pure Storage 設計的快閃模組，可讓全快閃陣列直接與原始快閃儲存通訊。Pure Storage 全面性的全快閃系統建置方法包括運用原始快閃來打造 DirectFlash 模組，而不需仰賴購買商品固態硬碟（SSD）。如此一來，我們就能從其他固態陣列廠商獲得供應鏈中不同點的快閃記憶體。但 DirectFlash 的優勢不僅止於更好的供應鏈經濟效益。

其他使用商用現成 SSD 的全快閃或混合陣列，與傳統硬碟的通訊方式基本上相同，就像是一組連續的相同區塊。

傳統硬碟有磁道和磁區，而所有磁區都端對端配置，就是您取得一份長區塊清單的方式。SSD 透過在系統與快閃之間整合複雜的系統，稱為快閃轉譯層（FTL），複製相同的幾何形狀。

DirectFlash 使用不同的方法直接與快閃記憶體進行溝通，進而最大化快閃記憶體的功能，並提供更佳的效能、電力利用率和效率。

具體而言，DirectFlash 提供：

• 系統層級的媒體管理，而非硬碟層級，也就是硬碟與系統本身運作一致，讓系統能夠：
  • 根據更廣泛的背景，做出更明智的資料配置決策 。
  • 從區塊、檔案或物件層級到個別快閃單元，了解系統的活動 。    
  • 以最佳化媒體的方式配置資料，避免寫入放大，並提高耐久性，從而最大化效率 。
  • 集中垃圾收集、疏漏和耗損平衡技術等功能，避免重複作業 。
• 消除傳統系統中每部硬碟重複的工作與流程，降低整體媒體成本。利用 SSD 的 PB 級系統本身可以擁有 TB 的 DRAM，甚至不包括系統記憶體，以維護其個別的 FTL 對應和中繼資料。每部硬碟也都包含經過超額配置的備用空間，是 FTL 管理媒體所需的空間。每個元件都是額外的成本，隨著硬碟大小的增加，將佔整體媒體成本的更大比例。過去幾年來，DRAM 的每位元成本並未改善，因此有效使用 DRAM 將變得越來越重要。
• 與 SSD 相比，模組可靠性的故障率（三到四倍）要低得多，這主要是因為韌體運行更簡單。

了解 DirectFlash 模組如何提高效率：高效率的 IT 基礎設施節省的不僅止於能源成本

固態磁碟的運作原理

SSD 由 NAND 快閃晶片組成，也稱為 NAND 快閃晶粒，每個晶粒都被分解為較小的元件，稱為區塊，由頁面組成。

然而，快閃區塊並不支援隨機覆寫。一旦頁面被寫入資料，在寫入新資料之前，必須清除整個區塊。同時，每部 SSD 都是為了支援向下相容的磁碟磁區介面而打造。

什麼是快閃翻譯層（FTL）？

解決這種矛盾之處在於韌體中稱為 "flash translation layer" 或 FTL 的韌體，該韌體採用虛擬磁碟區介面，可讓您將資料寫入不同的快閃頁面，而不論資料使用的邏輯區塊為何。FTL 會在自己的記憶體和中繼資料儲存中追蹤所有這些映射中繼資料。

但由於您現在正在將新版本的資料寫入不同的快閃頁面中，最終您累積的資料會被視為垃圾，因為資料已被覆寫或邏輯刪除。

垃圾收集機制如何在 SSD 中運作

為了恢復此實體容量，硬碟韌體中的「垃圾收集器」流程會將仍然有效的資料移至新的位置，以便清除包含「整合」資料的整個區塊。為了讓垃圾收集器運作，每部硬碟都需要額外的快閃記憶體，也就是所謂的“預留空間”，而每一場垃圾收集事件都會消耗有限的快閃程式/清除週期。每個邏輯寫入消耗的實體寫入量稱為“寫入放大”。

過度配置和寫入放大會導致 SSD 過早磨損，縮短使用壽命。這樣的設計也會對效能造成影響，因為每當其中一個快閃晶粒進行垃圾收集、讀取或寫入時，都無法從該晶粒取得。因此，隨著垃圾收集器變得越來越活躍，SSD 的效能勢不可擋。

SSD 無法將這個垃圾收集活動傳達給存取系統，讓這個活動更具挑戰性。相反地，SSD 必須保持假想，它就像硬碟一樣。隨著 NAND 快閃記憶體中每個單元的位元數增加，這些效能不一致的情況只會變得更糟，因為程式/清除週期需要較長的時間，導致資料存取時間更長。

使用 DirectFlash 的優勢

DirectFlash 採用不同的快閃媒體管理方法。Purity 作業系統在軟體陣列層級執行這些功能，而不只是將每部 SSD 視為執行自身耗損平衡技術、垃圾收集與超額配置。這表示每個 DirectFlash 模組都比傳統的固態磁碟更簡單，因為它只需要提供媒體本身的存取權限，並處理低階資料和訊號任務。

深入了解 DirectFlash 如何為硬碟（HDD）帶來終端。

這帶來了許多好處：

• 改善密度與效率。 我們的 DirectFlash 模組（DFM）提供比目前最接近的競爭對手高出兩到三倍的儲存密度，每 TB 消耗的瓦數減少了 39% 到 54%。Pure Storage DFM 不會模擬機械式 HDD，因此相較於 COTS SSD，矽基快閃媒體的管理方式可大幅改善效能、儲存密度、有效容量、媒體耐久度，以及每個可用 TB 的成本。Pure Storage 今天出貨 48TB DFM，今年稍晚將增加 75TB DFM，將在 18 個月內增加 150TB DFM，並計劃在 2026 年前增加 300TB DFM。更多資訊。
• 存放智慧資料。Purity 不須在空間內就資料放置和媒體管理做出決策，而是了解所有持續和排程的系統任務，例如目前的 IO 活動、資料減量作業、待定的垃圾收集週期，以及整體陣列工作負載和健全狀況。這讓 Purity 能夠比單一硬碟更聰明地進行配置和排程決策。
• 透過做出更明智的資料配置決策，類似預期壽命的資料可以在同一區塊上並存，以儘量減少區塊中的某些資料被“整合”的情況，而其他頁面仍然有效。Purity 知道某些頁面是屬於同一檔案或物件的一部分，或是來自同一主機系統，因此當刪除該檔案或物件時，將這些頁面分成類似的區塊，即可一次釋放整個區塊，而無需重新寫入其他即時資料，並導致寫入放大。
• 它們的表現優異，效能超前。DirectFlash 模組不進行垃圾收集，且不會造成寫入放大，效能超越其商品。更少的寫入意味著更少的磨損，從而延長使用壽命。更少的寫入也意味著更多的 IO 週期可用於服務“真正的”用戶端 IO。而且因為 Purity 知道目前的 IO 活動，而且能看到整個系統，因此其中一個程式/清除週期會阻止資料存取，這永遠不會讓您感到驚訝。在最壞的情況下，Purity 可以重建資料，而不必等待程式/清除週期完成。即使使用 QLC 快閃，也能大幅降低系統最壞的延遲。
• 隨著時間的推移，它們會有所改善。 因為我們在軟體中執行所有這些媒體管理任務，因此可以隨著時間改進軟體。所有連接到網際網路的 Pure Storage 系統皆能安全地以電話方式傳輸家庭遙測資料，而且由於我們深入了解了底層快閃記憶體的健康與活動，因此我們彙總並分析這些資料，以改善軟體在真實世界的運作方式。這意味著，隨著時間的推移，我們系統的可靠性和效能可以通過定期軟體更新來提高。
• 更簡單、更可靠。 因為我們在軟體陣列層級執行所有這些活動，所以 DirectFlash 模組不需要複雜的控制器和大量的 RAM，就能自行完成這些工作。因此，我們的模組不僅更簡單、更可靠，而且效率更高。我們也能在 NAND 快閃記憶體製造技術的進步下，擴充硬碟規模，而不需增加硬碟複雜度或成本。

這表示，與其他以 SSD 為設計基礎的全快閃或混合系統相比，系統效能更高、更一致、可靠性更高、壽命更高。

Pure Storage 的成立理念是資料中心的未來全快閃，而我們建立了 DirectFlash 技術，讓願景成真。我們相信，打造全快閃系統的最佳方式，就是從頭開始打造全快閃系統。這意味著要消除以傳統介面和範例為設計基礎的系統零件，讓技術真正閃耀。

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