苹果Fusion Drive混合磁盘方案深度解析

当效果可观、价格适度的SSD在2008年首次出现时，人们觉得这个技术相当神奇。随着时间的推移，NAND和SSD的性价比提高了，但机械硬盘的价格还是比它低一个数量级。AnandTech的Anand Lal Shimpi表示：我一直主张把SSD和HDD相结合的解决方案。你可以买一块足够大的SSD来装操作系统、应用程序、甚至再装一两个游戏，然后把其他一切放在HDD RAID-1阵列中。这种方法用在台式机上效果很好，但你必须手动管理文件去向。

OEM是如何处理这个问题?我一直都感到好奇。因为教育用户自己动手，把较大的、不经常使用的文件放在一个驱动器上，把其他东西放在另一个驱动器上，似乎不太可行。英特尔6系列芯片组采用了Smart Response混合硬盘技术，将一块20GB SLC SSD作为传统硬盘的缓存，希望实现速度的提升。

自那以后，其他一些SSD缓存解决方案也纷纷出现。然而，它们中的大多数采用的是便宜的、小容量、效果不佳的mSATA SSD。近来，OEM跟SSD缓存供应商合作，以勉强满足超极本认证的最低要求。一般说来，这种方式带来的体验非常差。

HDD 制造商也在试图解决这个问题，但它们的方式是添加少量NAND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。实际上NAND存储设备的容量已经大到足以容纳你的所有数据，所以上述做法就好像是：你坚持使用8MB L3 缓存，其实你本来可以多加几百美元，买一个16GB。一旦你了解后者的好处，前者似乎就是毫无意义的妥协了。

苹果是最早意识到这个问题的OEM之一。该公司所有主流移动设备都只用NAND(iPhone，iPad和MacBook Air)。最近，苹果的专业笔记本电脑甚至也开始朝着纯SSD的方向迈进了(配Retina 显示屏的MacBook Pro)。苹果Mac确实有不参与低价竞争的资本，因此要抛弃HDD 也容易了很多。即便如此，苹果现在出货的6款Mac(MBA、rMBP、MBP、Mac mini，iMac和Mac Pro)中，也只有两款的默认配置不带HDD 。其余的都配备了老式机械硬盘。

把iMac这样的设备改成纯SSD比较困难。虽然笔记本电脑用户(尤其是超极本用户)已经习惯了没有太多存储空间的设备，用惯台式机的人并不一定受得了有限的存储量。

对于这个问题，苹果的办法跟其他SSD / HDD混合解决方案也没有太大不同。区别只是在SSD组成部分的大小以及软件层上。

初识Fusion Drive

全新的Mac mini和iMac可以选择苹果的混合硬盘解决方案Fusion Drive。它只有两个版本：1TB和3TB。 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。

Fusion Drive 是一块1TB或3TB HDD(2.5英寸或3.5英寸)跟一块128GB三星PM830 SSD的组合。在测试中，我使用的是一台27英寸iMac，1TB的 Fusion Drive。

苹果Fusion Drive中SSD的容量远远高于一般的缓存方案(大多数OEM都采用8GB到24GB的NAND)。而且苹果Fusion Drive选用的三星PM830，是我们测试过的SSD中性能和可靠性的最佳组合之一。虽然我个人更喜欢Link A Media 或者Intel S3700，毕竟它们拥有出色、稳定的性能，但对于苹果来说，PM830可能是一个更加实惠的选择。

当然Fusion Drive与以往的混合/缓存解决方案不同，但它真正的与众不同之处是软件部分。Fusion Drive没有简单地借用英特尔Smart Response 技术，它涉及到OS X逻辑卷管理器Core Storage的虚拟化存储问题。Core Storage最早出现是在狮子版本中，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。

苹果最初用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。如果你有多个驱动器，你可以自己使用一些简单的终端命令来创建一个Fusion Drive。如果你购买了一台带有Fusion Drive 的Mac，苹果就自动为你做好着一切了。

跟传统的SSD缓存架构不同，Fusion Drive不是真的缓存，它会根据访问频率和可用空间，在SSD和HDD之间移动数据。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 + 128GB;一个3TB 的Fusion Drive容量则是3TB + 128GB。

最新版本的“磁盘工具”(Disk Utility)把 Fusion Drive 显示为一个驱动器，标签为Macintosh HD。但是苹果并没有试图隐藏它的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，你可以看到两个驱动器的状况：

128GB的SSD显示容量为121.33GB。 注意：自OS X 10.6后，苹果公司开始以10为基数显示容量。算一下你就会知道有多少空间被用作了备用区：

这个128GiB NAND中约11.7%被预留作为备用区，标准Mac中的128GiB SSD也是一样，但这个比例比通常的6.7%要高。增加备用区比例有助于提升性能的一致性，我个人希望三星SSD能有25%的备用区。

你可以在Fusion Drive上创建Boot Camp或其他额外的分区，不过这些分区都是在HDD上。

Fusion Drive揭秘

我测试用的是一台新的27英寸iMac。最开始，我用了一个128KB的顺序写入操作(队列深度为1)，并使用iStat Menus 4来监测两个驱动器的状态，我发现只有SSD接收了最初的写入操作，HDD上没有活动。 SSD的写入速度是322MB / s。但在写入117GB之后，HDD接管了写入活动，最初速度大约为133 到175MB / s。

初步测试证实，Fusion Drive确实使用了两个驱动器。最初117GB写入到了SSD，接下来的1TB直接写入到HDD。我觉得它排定优先级的方式是：Fusion Drive假设SSD上有足够的可用空间(后面将详细讨论)，首先尝试写入SSD。

接下来，我想进行随机IO测试，因为这才是SSD在性能方面超过HDD的地方，通常也是SSD缓存或混合方案功亏一篑的地方。我首先尝试了最糟糕的情况：涵盖所有的逻辑块地址的随机写入测试。鉴于Fusion Drive的总容量是1.1TB，从这个测试中，我们可以了解苹果如何在这两个驱动器之间映射LBA(逻辑块地址)。

结果很有趣的，不过也不算意外。 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HDD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。这是我第一次看到Fusion Drive主动在驱动器之间移动数据。

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，我把随机写入测试限制在LBA的第一个8GB之内。

结果有很大的不同。在第一轮中，平均速度大约是7 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，我等着Fusion Drive移动数据，然后又重复了一遍。在第二轮中，速度跳升到了21.9MB / s，更多的IO发生在SSD上，尽管HDD上仍然看得到写入活动。

图：大部分的随机写入都发生在SSD上，但仍然有部分到了HDD，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

在第三次尝试中，几乎所有的随机写入发生在SSD上，速度达到98MB / s的峰值，碎片增多时，速度下降到最低35MB / s。我认为，苹果似乎依据访问频率，把LBA动态地映射到了SSD上，这是一个非常积极的性能提升方法。归根结底，这是通常的SSD缓存方案和Fusion Drive之间存在的重大区别。大多数SSD缓存方案似乎都以读取频率为基础，而Fusion Drive看似(至少部分是)考虑了哪些LBA被频繁写入，并把它们映射到SSD上。

要注意的是，随后的随机写入测试产生的结果大不一样。当我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80%)时，我没有见到随机写入性能能再次达到这样高的水平。在每次运行中，我看到有很短的时间数据到处移动，但随机IO发生在HDD和SDD的比例约为7:1。鉴于这两种驱动器之间的容量差异，这个比例具有很大意义。如果你的工作负载包含大量的随机写入，涵盖所有可用空间，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用户中，所以对你来说这应该不是问题。

数据精细度探究

苹果公司在宣传Fusion Drive时，谈到了文件和应用程序级别的数据移动，但在现实使用中，数据可以以128KB的文件块在SSD和HDD之间移动。

使用fs_usage工具，你可以看到苹果Fusion Drive的内部工作原理。 文件以128KB的文件块在驱动器之间移动，这也是由文件块的使用频率来决定的。由于客户工作负载往往是顺序的(在最糟的情况下也是伪随机)，我们可以比较有把握地说，如果你在一个 128KB的文件块中访问一个LBA，你实际上会访问同一空间中更多的LBA。数据迁移过程似乎主要是发生在闲置期间，虽然我也看到，在IO负载较轻的时候，驱动器之间也有迁移活动进行。

迁移的快速触发机制十分有趣。一旦文件被复制或者创建出来，应用程序启动，或者其他IO活动完成时，SSD和HDD之间立刻开始进行数据迁移。当你填充Fusion Drive时，在SSD和HDD之间移动的数据量就大幅收缩了。事情本来就应该是这样。不常访问的数据应该放置在HDD 上，真正重要的东西会留在SSD上。当Fusion Drive在写入时，苹果就不会那么积极地释放SSD上的数据。

数据迁移过程本身是非常简单的，数据被标志为promotion和demotion，它被物理复制到新的存储设备上，然后它才移走。在迁移过程中，如果出现电源故障，Fusion Drive不会造成任何数据丢失，只有当一个128KB文件块的两个副本就位之后，源块才会被移除。苹果去年就告诉过我这件事了，但我现在才亲眼看到。

用128KB的文件块在HDD和SSD之间移动数据，苹果可以在写入SSD的时候进行部分碎片整理。尽管Fusion Drive 的所有写入首选目的地都是SSD(可以包括小于128KB的文件块，随机和伪随机写入)，任何从HDD到SSD的迁移却都是大块顺序写入的，如果驱动器中有大量碎片，这就会触发垃圾块回收过程。SSD的性能肯定会随着时间的推移降低，但是这个过程有助于保持它的性能，因为SSD几乎一直都是在充满的状况下运行的，而且它会接收各种不相关的写入。我前面提到过，我希望苹果把更多的PM830 NAND空间预留为备用区。我怀疑苹果没有预留更大的备用区是出于成本方面的考虑。

应用体验

在现实使用中，Fusion Drive能给我们带来怎样的体验呢?简单说来，它的效果出乎意料的好。我之前使用过的SSD缓存方案全部都更像是HDD而不是SSD，不过苹果公司的Fusion Drive体验则是几乎处于HDD和SSD的正中间。

它在安装几乎所有程序时，都是先用SSD，因此Fusion Drive感觉真的像SSD。不仅是在安装应用程序的时候，复制任何东西时，一般也是先去SSD。似乎到了4GB之后，它才开始用HDD。不过稍加努力，你可以让Fusion Drive仅在1 到 2GB之后就开始写入到HDD。我用Iometer创建了一个顺序测试文件，监测Fusion Drive什么时候停止将文件写入到SSD，在这时停止这个进程，重新命名这个文件，并再次开始创建文件。结果如下图：

可以看到，如果你的速度够快，你可以在低于2GB的时候就让HDD接管写操作。我不知道这是不是SSD上的可用空间量，但很有可能就是这样，因为显示121GB的SSD又不充分使用它实在说不通。

在大多数时候，当你不那么积极地写入SSD时，Fusion Drive可以保持至少4GB的SSD可用空间。需要注意的是：当你第一次使用它时，Fusion Drive大部分都是空的，你写入的几乎任何东西，无论大小，都会直接进入SSD。然而，当容量承受一定压力时，苹果就会改变方法：让任何文件最多写入4GB到SSD，其余部分则放到HDD上。

通过安装苹果的OS X开发者工具以及Xcode本身，我证实了这一点。后者接近于4GB大，但默认状况下，它的很大部分都到了SSD上。

应用程序生成的数据也是如此。我用Xcode创建Adium，一个682MB的项目，整个编译过程都发生在SSD ——机械硬盘一直都没有活动。我试图创建一个更大的项目，近2GB的Firefox。这时出现了短暂的HDD活动，但绝大多数活动都是在SSD上。

我复制了一个很大的视频文件(>10GB)到这台iMac上，现在我把它复制到一个新的位置上，并密切注意Fusion Drive的动向。最初的2GB是从SSD传输到SSD，接下来的2GB是从HDD读取，写入SSD。大约4GB被复制之后，源驱动器和目标驱动器都变成了HDD。在我看来，正确的做法应该是默认情况下把所有的大文件都放入HDD ，除非它们被频繁访问。苹果的做法似乎是一个合理的妥协，但它把文件块放入SSD的方式比我以为的更加积极。

我重复了这个测试，用另一个我从来没有访问过的视频文件，得到的结果完全不同。整个文件都存在HDD 上。我又重复一次这个测试，用我访问了好几次的iPhoto图库，令我惊讶的是，这个iPhoto图库的大部分都在HDD上，但也有一些少许读取来自SSD。但在这两种情况下，复制的目标驱动器当然都是SSD。

我Anandtech文件夹的大小超过32GB，含有文字、照片、演示文稿、基准测试结果，以及我做过的几乎所有评测。虽然这个文件夹非常重要，但它其中大部分都没有经常被访问。我在复制这个文件夹时，发现几乎全在HDD上。38GB的“我的文档”文件夹也是如此，这个文件夹中的大部分也是未读过的。

另一方面，应用程序几乎总是放在SSD上。

之前我经常手动把操作系统和应用程序放在SSD，大的媒体文件放在HDD上，Fusion Drive把这个过程自动化了，而且效果还相当不错。我手动整理资料和Fusion Drive自动化之间唯一的区别就是，我把“我的文档”和Anandtech文件夹默认放在SSD。这样做不只存在性能方面的考虑，也是为了可靠性，因为硬盘比SSD更容易出毛病。

Fusion Drive的性能

对Fusion Drive进行基准测试有点困难，因为它总是写入到SSD。如果你不把Fusion Drive填满，你写入的大量数据可能全部会到SSD上。如果你确实填满了它，但测试的数据集<4GB，那你测量的仍然是SSD性能。

我想出了一个相对简单的用例，可以涵盖两个驱动器。现在我的Fusion Drive已经填充了70%，这意味着SSD的容量快要到顶了(除了其4GB的缓冲)。我把含有703张照片的iPhoto图库导出为TIFF格式的照片。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到了HDD 。我给这个过程计时，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PM830 SSD对比。结果有点偏向于纯HDD 配置，因为这个写操作基本上是顺序的：

上图准确地总结了我的Fusion Drive 体验：它差不多处于HDD 和SSD的正中间。在这个测试中，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差距将拉大。可惜的是，我无法找到好的应用程序用例来生成4GB +的伪随机数据，使其可重复性高到可以进行基准比较的程度。

如果我一直对Fusion Drive进行非常大的顺序写操作(一个文件就高达260GB)，最后它会傻掉，不再迁移数据到SSD了，除非你重新启动机器。我怀疑这个bug不是由正常的自动测试触发的，但它确实提供了一个有趣的状况，我可以利用它来开展测试。

启动我频繁使用的iMac预装应用程序，它们仍在SSD上，但一些后来安装的程序却不是这样。特别是Photoshop CS6，它部分在SSD上，部分在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。我测试Photoshop在Fusion Drive上的启动时间，跟在纯HDD 分区上，以及通过USB 3.0连接的PM830上的情况相比较。比较结果再次反映了我的体验：

相对于纯HDD ，Fusion Drive有明显的改善，启动时间快了40%。然而，纯SSD也快了一半以上。请注意，如果Photoshop是最常用的应用程序之一，它会被完全移动到SSD上。性能跟在纯SSD上差不多。测试中没有出现这样的状况，是因为我的1.1TB Fusion Drive 驱动差不多充满了80%。

Fusion Drive的实际限制

苹果Fusion Drive 在写入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，在驱动器总使用量较低时，我需要做的几乎一切都是使用的SSD，但当应用程序的需要超过了Fusion Drive 可以轻松应付的范围时，这个平台对于“什么东西可以被移动到SSD”就变得更加挑剔。要记住的是，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，你的Fusion Drive体验就更像是HDD了。为了模拟和证明这一点，我把我200GB +的MacBook Pro映像移动到了iMac上。请注意，这200GB中的大部分是我经常使用的应用程序和数据。

测试到最后，我觉得我需要更多的SSD。 Spotlight搜索花费的时间比纯SSD多，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需要的时间也长一点儿…… Fusion Drive 可能是很好，但它不是魔法。如果你确实需要超过128GB以上的SSD，Fusion Drive可能并不适合你。

结束语

苹果Fusion Drive可能是我用过的最好的SSD / HDD混合解决方案。这不是前沿科学，它所做的就是把一个很好的SSD(三星PM830)，大量的NAND(128GB)和一些非常积极、聪明的软件(苹果公司的 Core Storage LVM)结合起来。 Fusion Drive 可能算不上具有革新性，但它的方法肯定是正确的。

如果你没有大量应用程序和数据，媒体文件也不太大，那么对于你来说，Fusion Drive 驱动器应该是一个合理的SSD加HDD 配置，媒体大文件放到HDD，所有经常使用的东西都在SSD上。我虽然很想要更大的缓存，但我相信，对于如今的大多数工作负载和使用模式来说，128GB也已经够好了。对我个人来说，Fusion Drive可能需要有256GB缓存才能赢得我的心，但我也明白，我不一定就是它的目标受众。

真正的问题是：它是否物有所值。我个人当然希望全部都用SSD，手动把媒体大文件放到HDD 阵列上。Fusion Drive没有做任何事情来减小“HDD 可能会早于SSD出毛病”的可能性，如果使用内置的SSD和(通过Thunderbolt或USB 3.0)连接的HDD RAID阵列，你将会掌握更大的灵活性。可惜的是，苹果并不总是提供纯SSD版本的iMac。

苹果的iMac限制了你的选择。对于21.5英寸机型，你既可以购买纯HDD 版本，也可以购买 Fusion Drive版本 ，但是没有纯SSD版本。我觉得你当然应该选Fusion Drive版本。如果你不打算自己购买SSD来更换它内置的HDD ，Fusion Drive绝对是一个正确选择。

对于27英寸的iMac来说，苹果提供了一个纯SSD版本，但它的容量只有768GB，升级价格1300美元。突然之间，250美元的 Fusion Drive 升级听起来就合理多了。

下图中黑体部分，是我推荐的选配方案。请注意，前提是你不打算自己DIY(如果你决定DIY，那就买你能找到的最大SSD，用外部大容量存储器来放那些不常用的东西)：

当NAND变得够便宜够大的时候，iMac会彻底抛弃HDD吗?或者我们电脑上最终会有足够多的NAND，可以存储除了大型媒体文件以外的一切东西吗?在一年之内，苹果可以把Fusion Drive中的NAND翻一番，而成本保持不变。如果看得更远一些，在后NAND时代，存储层次(memory hierarchy)可能会出现一些真正具有革命性的东西。