科技進(jìn)步的背后有一條真理：發(fā)明者和工程師們首先理解并實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的基礎(chǔ)原理，接著才去考慮如何在性能和成本上做進(jìn)一步優(yōu)化。這個(gè)原則在 SSD 固態(tài)存儲(chǔ)領(lǐng)域同樣適用，也就是人們常說(shuō)的從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)階段。

接下來(lái)，我們將介紹一項(xiàng)近年來(lái)固態(tài)硬盤(pán)技術(shù)的重要進(jìn)展——主機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū) (Host Memory Buffer，HMB)，它利用主機(jī)內(nèi)存來(lái)提升存儲(chǔ)設(shè)備性能，推動(dòng)了固態(tài)硬盤(pán)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

SSD 緩存設(shè)計(jì)的權(quán)衡因素

在固態(tài)硬盤(pán) (SSD) 設(shè)計(jì)中，增加 NAND Flash 存儲(chǔ)單元（閃存顆粒）可以提升容量和性能。然而，正如所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)一樣，工程師需要在資源和成本之間找到平衡。

目前，有兩種主要方式可以提升存儲(chǔ)單元的現(xiàn)有性能：一是提升 NAND Flash 密度，二是增加額外的閃存顆粒，但這會(huì)占用更多物理空間。由于硬盤(pán)的 PCB 空間都有限，增加閃存顆粒通常意味著就要減少其他元件。

有緩方案（DRAM）

DRAM 代表動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，該閃存模塊安裝在固態(tài)硬盤(pán)的印刷電路板 (PCB) 上，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)映射表，這些表記錄了所有的邏輯塊及其物理位置。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，DRAM 讓固態(tài)硬盤(pán)能夠更快處理隨機(jī)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，還用于緩存寫(xiě)入數(shù)據(jù)，提高寫(xiě)入性能。但 DRAM 會(huì)顯著提高 SSD 的成本，它的成本可能是普通 NAND Flash 的數(shù)倍。

無(wú)緩方案（沒(méi)有 DRAM）

為了降低成本，目前，許多廠商選擇移除快速但昂貴的 DRAM，也就是人們常說(shuō)的「無(wú)緩方案」。然而，DRAM 是一種高速的易失性存儲(chǔ)器，并不能被輕易取消。沒(méi)有 DRAM 的設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)傳輸，尤其是處理高容量隨機(jī)讀取時(shí)，會(huì)面臨性能下降和信號(hào)完整性的挑戰(zhàn)。DRAM 的存在能讓數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)更快，缺少它可能會(huì)顯著影響硬盤(pán)的整體性能。

什么是 HMB 主機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū)

那么，工程師要如何解決無(wú)緩 SSD 的性能問(wèn)題呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是使用 HMB（主機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū)）技術(shù)。HMB 允許 SSD 利用主機(jī)的內(nèi)存資源，主動(dòng)提升性能。

為 SSD 分配主機(jī)內(nèi)存

NVMe 1.2 規(guī)范首次引入了 HMB 功能，規(guī)定了 HMB 如何將主機(jī)內(nèi)存分配給 SSD 使用：

• NVMe (NVM Express) 是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，用于定義如何訪(fǎng)問(wèn)非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，如 NAND Flash。
• NVMe 1.2 規(guī)范規(guī)定了 HMB 如何將主機(jī)內(nèi)存分配給 SSD 使用。經(jīng)過(guò)適當(dāng)配置的 SSD 可以與主機(jī)通信，申請(qǐng)指定的最小緩沖區(qū) (Buffer) 大小。
• NVMe 1.2 還設(shè)置了各種條件和限制，以確保在 SSD 意外斷開(kāi)連接時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失或損壞。
• 要使用 HMB，還需要 SSD 和操作系統(tǒng)都必須同時(shí)支持。比如，從 2017 年發(fā)布的 Windows 10 1703 版本開(kāi)始，Windows 系統(tǒng)就已經(jīng)支持 HMB 技術(shù)；Linux 內(nèi)核從 4.14 版本開(kāi)始也全面支持HMB。

HMB 通常用于存儲(chǔ) FTL（Flash Translation Layer）映射表，而不是直接存儲(chǔ)用戶(hù)數(shù)據(jù)。

為什么選擇 HMB？從有緩到無(wú)緩 SSD

早期的 SSD 設(shè)計(jì)中，同時(shí)使用了非易失性閃存和易失性 RAM 來(lái)提高數(shù)據(jù)處理效率。具體來(lái)說(shuō)，DRAM 設(shè)備被用作緩沖區(qū)，主要有兩個(gè)原因：

• DRAM 是易失性的，斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，因此不適合長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
• RAM 設(shè)備的讀寫(xiě)速度比閃存設(shè)備更快。這個(gè)特性讓 RAM 能夠作為「中繼站」，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)提供臨時(shí)存儲(chǔ)，為持續(xù)處理任務(wù)的 NAND Flash 提供緩解。

緩存中最關(guān)鍵的信息是邏輯地址到物理存儲(chǔ)位置的映射，即 L2P（邏輯到物理）表。該表會(huì)隨著 SSD 的讀寫(xiě)頻繁更新：

• 關(guān)機(jī)時(shí)，L2P 表會(huì)存儲(chǔ)在 NAND Flash 中，防止在斷電時(shí)丟失。
• 開(kāi)機(jī)后，這些表會(huì)被加載到 DRAM 中，由控制器繼續(xù)實(shí)時(shí)更新。

DRAM 緩存空間越大，通常意味著更靈活的數(shù)據(jù)管理和更快的響應(yīng)速度，特別是在處理「隨機(jī)讀取」任務(wù)時(shí)。

SSD 有 DRAM 緩存運(yùn)行機(jī)制

然而，DRAM 是一種按密度計(jì)算的昂貴資源，價(jià)格通常是 NAND Flash 的數(shù)倍左右，而且短期內(nèi)也不會(huì)改變。因此，盡管 DRAM 具備顯著優(yōu)勢(shì)，但過(guò)去十來(lái)年，無(wú) DRAM 的 SSD 也逐漸開(kāi)始流行。這些 SSD 體積小、成本低，但因緩存空間受限，對(duì) SSD 性能也會(huì)有所影響。

無(wú)緩 SSD 也將 L2P 表保存在 NAND Flash 中，當(dāng)控制器需要訪(fǎng)問(wèn) L2P 表時(shí)，會(huì)將表加載到控制器的內(nèi)部 SRAM 中進(jìn)行更新，然后再次存儲(chǔ)在 NAND Flash 中。

無(wú) DRAM 和無(wú) HMB 的 SSD 緩存操作機(jī)制

然而，SRAM 的成本更高，容量也較小，典型的 Flash 控制器也只有幾兆字節(jié)的 SRAM，因此無(wú)緩 SSD 的性能通常不如有緩設(shè)計(jì)。

無(wú) DRAM 和有 HMB 的 SSD 緩存操作機(jī)制

這也正是 HMB 技術(shù)誕生的根本原因。HMB 允許 SSD 將 L2P 表從 NAND Flash 加載到主機(jī)內(nèi)存中，并通過(guò)主機(jī)不斷刷新緩存，這種「神操作」跟 DRAM 的方法十分相似。

啟用了 HMB 的 SSD 在處理隨機(jī)工作負(fù)載時(shí)，性能損失并不明顯。接下來(lái)，我們將展示一些實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，看看 HMB 對(duì) SSD 性能的影響。

有無(wú) HMB 性能提升對(duì)比

在啟用 HMB 后，SSD 在「隨機(jī)讀取」操作時(shí)的性能會(huì)得到顯著提升。然而，HMB 的性能提升也會(huì)因?yàn)楣ぷ髫?fù)載的不同而有所變化。這是因?yàn)椋褐鳈C(jī)不總能提供足夠的內(nèi)存空間給 NAND Flash 控制器來(lái)使用。

「隨機(jī)讀取」指的是控制器根據(jù)主機(jī)請(qǐng)求，從 NAND Flash 中不規(guī)則的位置提取特定大小的數(shù)據(jù)。

以下圖表展示了在不同工作負(fù)載下，使用 HMB 后，數(shù)據(jù)處理從 1 GB 到 32 GB 時(shí)的性能非線(xiàn)性提升：

1GB 數(shù)據(jù)隨機(jī)讀取

8GB 數(shù)據(jù)隨機(jī)讀取

32GB 數(shù)據(jù)隨機(jī)讀取

• 出現(xiàn)這種非線(xiàn)性是由于 HMB 的緩存容量有限，在處理 L2P 表和大量中間數(shù)據(jù)時(shí)，性能提升會(huì)逐漸減緩。
• 比如，在處理 32 GB 數(shù)據(jù)時(shí)，IOPS 的增幅相比 8 GB 數(shù)據(jù)并不太明顯，這突顯了 HMB 的性能提升存在一定的上限。
• 即便如此，在處理 32 GB 數(shù)據(jù)時(shí)，HMB 仍能帶來(lái)超過(guò) 100000 IOPS 的額外提升，這個(gè)提升非常顯著。要知道，即使是通過(guò)精細(xì)的固件優(yōu)化，也很難實(shí)現(xiàn)如此大幅度的性能增長(zhǎng)。

IOPS（每秒輸入/輸出操作）是衡量存儲(chǔ)設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接反映了設(shè)備處理數(shù)據(jù)請(qǐng)求的速度。

如何在 Windows 中使用 HMB

如前所述，要使用 HMB 功能，需要你使用的 SSD 和操作系統(tǒng)同時(shí)支持。通常情況下：

• 在 SSD 的固件中，通常會(huì)預(yù)設(shè) HMB 的最小和最大內(nèi)存占用值。
• 在 Windows 10 1703 及更高版本 Windows 系統(tǒng)中，默認(rèn)支持 HMB 緩存功能。

如果你安裝了 SSD 廠商的官方硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)或管理程序，通?？梢钥吹绞欠裰С植⒂?HMB 功能，這個(gè)需要你自己去探索使用；如果你沒(méi)有安裝 SSD 廠商的應(yīng)用，Windows 會(huì)使用系統(tǒng)自帶的 StorNVMe 存儲(chǔ)控制器驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)的 HMB 容量上限默認(rèn)為 64MB。

你可以通過(guò)更改注冊(cè)表，來(lái)調(diào)整 HMB 容量：

1、使用Windows + R快捷鍵打開(kāi)「運(yùn)行」對(duì)話(huà)框，執(zhí)行regedit打開(kāi)注冊(cè)表編輯器。

2、導(dǎo)航到以下路徑：

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\StorPort

3、新建一個(gè)名為HmbAllocationPolicy的 DWORD (32 位) 值 ，并將其值設(shè)置為：

• 0：禁用 HMB 功能。
• 1：?jiǎn)⒂?HMB，并嘗試分配 SSD 固件允許的最小值。
• 2：?jiǎn)⒂?HMB，并嘗試分配 SSD 固件的首選值。
• 3：基于設(shè)備使用情況，由 SSD 固件控制緩沖區(qū)大小。

設(shè)置 HmbAllocationPolicy 注冊(cè)表值