工作負載產生 IO 大小的分佈，而非單一、統一的請求大小，此分佈對 QLC SSD 和 HDD 的相對效能及容量需求產生顯著影響。
在本兩部分部落格系列的第一部分，我們解釋了為何 IO 大小會改變 HDD 與 SSD 的經濟性。在第二部分，我將進一步闡述為何 QLC SSD（例如搭載 G9 QLC NAND 的美光 6600 ION SSD）的每 PB 可用容量成本優於 HDD，並能夠提供當今工作負載所需的 SSD 能效和效能。
在評估基於 QLC NAND 快閃記憶體與傳統硬碟 (HDD) 的儲存方案時，必須超越「每 TB 硬碟成本」這一基本指標。瞭解工作負載的 IO 大小分佈如何影響整體系統效能，可以發現成本會受到顯著影響。
讓我們先考慮一個類似物件型儲存的工作負載：總資料集為 10PB，每 TB 的總輸送量要求為 6MB/s，讀寫比為 65/35。此輸送量略低於 28TB HDD 支援的最大值（約為每 TB 6.2 MB/s）。乍看之下，採用 HDD 解決方案似乎已足夠。然而，資料存取模式的細節使這一結論值得商榷。為了具體說明這一點，我們首先分析具有代表性的物件型儲存工作負載的 IO 大小分佈。
圖 1. 範例工作負載的讀取和寫入 IO 大小直方圖。
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工作負載 IO 直方圖：為什麼如此重要
圖 1 說明我們範例工作負載的讀取和寫入 IO 大小的分佈。作為 HDD 的物件型儲存，它主要以 4 MiB 的區塊寫入資料，以實現高輸送量。然而，讀取操作遵循對數常態分佈，峰值為 1 MiB，但受範圍讀取操作的影響，讀取量通常較小（較大的寫入區塊大小通常會導致小物件被打包）。這些較小的讀取和寫入操作會顯著影響儲存裝置效能，特別是對於 HDD 而言，因為 HDD 在處理小尺寸 IO 時效率較低。
由於 HDD 在處理小尺寸 IO 時效能會急劇下降，因此通常採用寫入快取來減少到達磁碟的小規模寫入操作次數。寫入快取常被用於減輕小規模寫入操作的影響。在我們的範例中，假設快取吸收了 128 KiB 及以下大小的所有寫入 I/O 操作。這意味著只有較大規模的寫入操作才會到達磁碟本身。在讀取端，並非所有小規模讀取操作都能命中快取中的資料；我們假設快取命中率為 75%。
圖 2. 啟用寫入快取後的磁碟 IO 直方圖。
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如圖 2 所示，套用寫入快取會改變磁碟所面臨的工作負載。HDD 中已消除了相當一部分的小尺寸 IO。即使剩餘的少量小規模讀取操作，也可能成為 HDD 的效能瓶頸。
圖 3. 實現讀寫混合工作負載直方圖輸送量所需的累積 PB。
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滿足工作負載直方圖所需的容量
基於每個裝置所面臨的有效 IO 直方圖，下一步是確定維持該工作負載輸送量所需的物理容量。下一步是計算滿足這些需求所需的物理儲存容量。對於 HDD，我們使用淨 IO 直方圖（快取後）進行此計算。另一方面，QLC 快閃記憶體處理小尺寸 I/O 的效率更高，因此我們直接使用未經調整的原始直方圖。這一區別至關重要：QLC 能夠為小尺寸 I/O 提供更高的輸送量，這意味著對於以小規模讀寫為主的工作負載，所需硬碟數量更少，整體系統成本也更低。表 1 總結了滿足同一工作負載的資料容量和 IO 輸送量所需的硬碟數量。
圖 3 顯示了在每種 I/O 大小下實現該輸送量所需的累積 PB，該資料根據 IO 直方圖和 1MB/s 曲線對應的 TB 值計算得出。10PB 工作負載的資料需求以紅線表示，而 28TB HDD 已超過該需求。
QLC 效能和成本優勢
您可以清楚地看到，QLC 只需更小的容量即可提供相同的 IO。在此情況下，我們的 10,000 TB 系統需要：
| 硬碟類型 | 用於儲存資料的硬碟 | 用於 IO 的硬碟 | 用於 IO 的硬碟占比（%） | 瓦特 | 瓦特／資料 PB |
|---|---|---|---|---|---|
| 28TB HDD | 357 | 458 | 128% | 3,890 | 389 |
| 245 TB QLC | 41 | 15 | 37% | 1,230 | 123 |
儘管此處的整體輸送量密度為 6 MB/s/TB，但若使用 28 TB 硬碟實現這一指標，所需 HDD 數量將增加 28%，且仍僅能提供 10,000 TB 的可用空間。
然而，QLC 僅使用約 37% 的可用效能和 32% 的 HDD 功耗。因此，如果 QLC 的每 TB 成本是 HDD 的 4 倍，則 HDD 容量增加 1.28 倍後，該倍數將降至 3.1 倍（未考慮其他因素）。
結論
IO 大小分佈決定了實際的儲存需求。
在此範例中，QLC SSD 的功耗約為 HDD 範例的三分之一：1,230 瓦對比 3,890 瓦。除了這一功耗差異外，HDD 還需要多出 28% 的物理硬碟才能滿足 IO 要求，而 QLC 在滿足相同工作負載要求的同時還留有餘量。
這改變了成本和價值的比較。
對於包含大量小尺寸 IO 內容的物件型工作負載，僅憑原始儲存介質的 $/TB 指標無法全面反映已部署系統的實際情況。按可用 PB 計算的成本是更合適的比較指標，因為它反映了滿足工作負載所需的硬碟、功耗和效能。
以此標準衡量，QLC 與 HDD 的差距可能比最初的 $/TB 比較所顯示的要小。
