基于对性能的渴望，除了紧随SAS（Serial Attached SCSI，串行附加SCSI）接口发展提升速率之外，另一个途径就是采取更高速、与CPU/内存距离更近的接口，例如，PCI Express接口。PCI Express接口比通常的SAS/SATA接口提供了更大的带宽，并且可以减少中间的连接转换层。

　　一般的插卡式PCI Express固态硬盘仅仅是将磁盘控制器和固态硬盘集中到一块PCIe插卡上，不过业界包括Intel在内均开始了进一步集成的研究，如T10/INCITS的SOP/PQI（SCSI over PCIe/PCIe Queuing Interface）以及Intel的NVMe（Non-Volatile Memory Express），此外还有一些专有的方案，这些方案都将FTL（Flash Translation Layer，闪存转换层）与PCI Express界面集成到同一个控制器当中，或者干脆就用软件来实现FTL，因此比起传统的SSD其延迟大为降低，可以达到非常优异的性能水准。

Intel SSD 910固态硬盘，是Intel的第一款PCI Express插卡式固态硬盘，也是将磁盘控制器和固态硬盘集中到一块PCIe插卡上的典型例子

　　之前我们测试了Intel的SSD 910固态硬盘，就是采用了PCI Express接口的插卡式固态硬盘，尽管它性能十分不错，但是它确实属于典型的将磁盘控制器和固态硬盘集中到一块PCIe插卡上产品，这种产品的架构很原始，无法完全发挥PCI Express界面的全部威力。

MemBlaze Q520 800GB SSD，采用了MemBlaze定义为Deviced Base的第三代PCI Express固态硬盘架构，比市面产品均要领先一到两代

　　近年，一家国内的厂商MemBlaze推出了新的PCI Express接口固态硬盘产品，它属于专有方案的分类，在技术上，MemBlaze将SSD 910这样的产品定义为第一代PCIe闪存卡，而将其推出的产品称之为第三代PCIe闪存卡，这些“代”数有什么差异？MemBlaze的产品有什么特别？接下来我们就可以看到。 

　　按照PCI Express闪存卡架构的区别，MemBlaze将目前的PCIe闪存卡分为了三代：ROC（RAID on Chip）、Host Based和Device Based，严格来说第一代ROC或许该称为HROC（HBA/RAID on Chip），因为如Intel SSD 910这样的产品没有使用RAID芯片，它就是通过一个HBA界面卡连接了4个（或2个）SAS SSD，在这些SAS SSD上，具有独立的SAS/NAND ASIC，内含FTL电路，如下图所示：

800GB版本Intel SSD 910固态硬盘的架构，由一个SAS HBA和4个SAS SSD模块组成

　　MemBlaze分类的第二种是Host Based（基于主机），第二第三代已经将FTL迁入了整个闪存卡的控制器当中，比第一代硬件架构更为简洁。Host Based的意思是，这些闪存卡的Metadata在主机上进行管理，这将会消耗大量的内存并占用CPU来进行处理，而且很容易因为操作系统的失效而造成数据损坏。MemBlaze的产品使用的第三类Device Based（基于设备）则是将Metadata的管理完全迁入固态硬盘卡，从而节约内存和CPU，并提供更强的可靠性和更好的性能，如下图所示：

MemBlaze根据架构定义的三代PCIe闪存卡，自然，它们自身的产品属于第三代

　　在MemBlaze的一个Slides当中，MemBlaze总结了第二代和第三代闪存卡的区别：“Device Based产品与Host Based产品的最大区别在于，Device Based PCIe Flash存储卡的FTL(Flash Translation Layer)是在板卡内部进行处理的，而Host Based PCIe Flash存储卡产品的FTL是在驱动端完成的。“

　　从我们的观点看，MemBlaze的分类并不很符合工业规范，不过也不无道理，下面我们就以MemBlaze Q520 800GB SSD为例，在介绍这款产品的同时印证下第三代Device Based闪存卡的架构。

　　MemBlaze Q520，是一款具有200、400、800GB三种容量的PCIe闪存卡，可以使用SLC或者MLC的NAND闪存芯片，我们收到的为800GB的型号，采用的是MLC芯片。Q520闪存卡是全高半长的规格：

MemBlaze Q520，这张图的分辨率要比开头的图要大一些

　　Q520显得比较厚重——它确实也比较重，原因是几乎覆盖了90%单面面积的黑色铝散热器，其厚度接近了一个插槽宽度。Q520是被动散热方案，没有风扇噪音，也没有机械部件的可靠性的烦恼，不过代价是需要注意散热。Q520发热量比较大，温度略高。不过，在我们做测试的一个开放平台（室温20度）上，没有风扇也能正常工作。

大面积散热片，而且这散热片实在是拆不下来

　　散热器没有覆盖到的地方，都是电源部分：

一块独立的小电路板上放着16个270μF的三洋固态电容

电源板，以及PCB的厚度

MemBlaze的字样，这块Q520采用的是PCI Express 1.1 x8的接口，而不是想象中的PCI Express 2.0

　　让人略为意外的是，Q520使用的是PCI Express 1.1 x8的接口，而不是PCI Express 2.0。PCIe 2.0对比1.x最主要的区别就是传输速率翻倍，PCIe 1.1 x8能提供2GiB/s的单向带宽和4GiB/s的双向带宽（各种中断、控制信号之类的也包括在内），对于Q520固态硬盘来说足够吗？

　　正面的散热器实在是拆不下来，不过我们还是能知晓它采用的NAND芯片——因为它背面还有：

背面也是密密麻麻的NAND芯片，略微小一些的是控制芯片的RAM芯片

　　通过数数，可以发现背后具有32片芯片，正面其实也是一样，这样，整个Q520具有整整64片NAND芯片。

NAND芯片的型号是Micron的29F128G08CJABA，16GiB、34nm MLC芯片

　　芯片型号则是Micron 29F128G08CJABA，16GiB、34nm MLC，略为早期的产品，64片的总容量达1TiB，不过提供给用户的只有800GB，注意到GiB和GB的差别的话，MemBlaze Q520提供给用户的容量只有芯片容量的74.5%，剩余的容量被用作磨损控制或Over-Provision。

正反各32片NAND，RAM在背面是4片，正面是5片

RAM的型号是Micron的D9MTG，128MiB DDR2 RAM芯片

　　使用的缓存则是Mircon D9MTG，这是个8bit 128MiB的DDR2 RAM芯片，据了解，一共有9片，其中一片做ECC校验，8片数据RAM总容量达到了1GiB。

大面积镂空面板用于散热

　　MemBlaze Q520乃至MemBlaze的全线闪存卡的特点都是采取了自己的主控芯片，实际上它就是一块通用的FPGA，型号是Xilinx XC5VLX155T，这块具有330k逻辑元的FPGA具有25 x 18个DSP slices，并集成了PowerPC 440微处理器块，工作频率为550MHz：

MemBlaze Q520使用的是Xilinx的XC5VLX155T FPGA芯片，65nm铜CMOS工艺，它属于Xilinx的Virtex-5 LXT系列，更多的信息可以看这里：Xilinx Virtex-5 FPGA Devices

　　FPGA是通用的，精髓在于FPGA里面定制的逻辑，这也是MemBlaze核心竞争力之一。

　　看完硬件之后，我们再来看看总结，下面这个从用户手册里面摘录的图表可以一览Q520的参数：

从MemBlaze用户手册上摘取的Q520 SSD数据表

　　从指标上看，Q520最大读写速率分别为1500MB/s和700MB/s，提供的最大4K随机读写为370k IOPS和80k IOPS，典型读写延迟为130μs/26μs，其中随机读取的IOPS和读写延迟引人瞩目，特别是写入延迟——这应该是个缓存后的延迟。

MemBlaze Q520不支持引导操作系统

　　随后我们将这块SSD安装到一台双Xeon 5600上进行了测试——后来我们分别也在一台双Xeon E5 2690机器上和一台超频到4.5GHz的Core i7 3960X机器上进行了测试，最终结果使用的机器为基于Core i7 3960X。由于主控芯片是MemBlaze定制的FPGA，因此驱动也由MemBlaze准备——MemBlaze提供了Windows和Linux的驱动，在这个驱动上，MemBlaze实现了“Device Based”的架构，因此它占用的内存非常小，而“Host Based”架构的闪存卡则需要占据大量的内存进行FTL（Flash Translation Layer）。

Memblaze Monitor

　　MemBlaze的一个特点是提供了一个非常不错的管理界面Memblaze Monitor，它提供了对各种参数的实时监视功能，还具有历史曲线显示。

设备寿命和写入放大参数也有展示，从指标上看，非常优异

　　接下来我们看看在4.5GHz Core i7 3960X平台上进行的测试，Core i7 3960X是Intel的顶级桌面处理器，代号为Sandy Bridge-E，和企业级的Sandy Bridge-EP属兄弟，它提供PCI Express 3.0总线的支持，不过，在Q520这块卡上，只能发挥到PCIe 1.1的力量。

　　我们使用了Iometer 1.1.0 rc1对固态硬盘进行了测试，测试操作系统是Windows Server 2008 R2，使用MemBlaze最新的Firmware和驱动。首先进行的是一个512字节的最小区块测试，对于固态硬盘来说，正常工作的区块都是4k、8k这样的“簇”容量，512字节显得过小了，它会影响到性能，因此仅供参考。实际上，MemBlaze在4K块下发挥最好，512B极受影响，我们仅给出随机读取性能作为参考，需要指出，MemBlaze Q520的所有测试都在4KB对齐的环境下进行，若果没有进行对齐，其性能将会受到不小的影响。

　　整个测试中作为对比产品的是Intel SSD 910，"200GB x4 MPM"标识的是SSD 910的独特架构：由4个200GB单元组成，因此实际上需要同时运行4个worker，MPM是Max Performance Mode，详见：Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

　　512B的极小区块对于近代的存储来说已经不太合事宜，仅供参考。在单个Worker下，Q520表现出很大的潜力，一直到16个worker、16队列深度（换算单worker可以认为是256队列深度）才达到顶峰，随后开始下降。峰值IOps可以达到328k，比作为对比的Intel SSD 910要高。

　　当前最流行的指标是4KB块大小读写，4K读写也是固态硬盘最为关注的指标，Q520在我们的测试当中表现很好。我们先看连续读取，在16 worker、16队列深度下达到了连续读取峰值并不再提升，这个峰值是360k IOPS，比对比的SSD 910的255k要高41.2%。

　　而在最为重要的4K随机读取指标中得到的结果则是350k IOPS，在16 worker、64队列深度达到，比SSD 910的219k要高59.8%。

　　Q520在最高带宽指标上略有落后，因此4K连续写入则要逊色于4个SAS SSD单元组成的SSD 910，不过数值很是稳定：88.4k IOPS。

　　对一些如数据库服务器之类的应用来说，4K随机写入是一个很重要的指标，MemBlaze Q520得到的数字约是88.4k IOPS，和连续写入完全一样，并且在单worker、8队列深度下达到峰值之后就一直维持在相应的水准，非常出色！Q520比对比型号性能要高出66.5%。

　　使用较大的区块可以榨取整个存储的最大传输速率，在使用1MB的区块进行连续读取时，MemBlaze Q520得最大带宽为：1400MB/s。

　　固态硬盘的写入比读取要慢，MemBlaze Q520的1MB连续最大写入带宽为：671MB/s。

　　除了突出的4K随机读取性能之外，MemBlaze的一个特长就是延迟，MemBlaze还专门提供了一个Slides描述其闪存卡的低延迟特性，MemBlaze认为，“平均延迟”和“延迟抖动”是企业级FLash存储的两个重要指标，因此，MemBlaze提供了“Ultra-Low Latency Wearleveling on Device-Based（基于设备的极低延迟写入损耗平衡）”和“Latency Smoothing Technology（延迟平滑技术）”两个技术对这两个重要指标进行底层算法优化，这两个技术的细节我们不讨论，下面看看我们对Q520进行的延迟测试：

　　在50k的4K随机读取IOPS下，Q520的Iometer最大读取延迟是162μs，这是个很不错的数字，Memblaze Monitor的读数则是161.3μs平均延迟。

　　在337k的IOPS下，最大延迟上升到1138ms。接下来我们看看具体的图表，以4KB随机读取为例，需要注意的是下图中对比的目标为单个SSD 910 200GB模块，模式为MPM（最大性能模式），同时测试4个模块的话延迟将会继续上升：

　　由于低队列深度延迟极低，采取线性Y坐标轴的图表就会变成上图这样，因此我们又绘制了对数Y坐标轴的图：

　　可见，平均延迟上，Q520要比参考的产品要低不少，在256队列深度，Q520仅为目标的17.3%。

　　平均写入延迟也非常低，最低值可以低到35μs（全系统平均延迟），Q520比参考产品在256队列深度要低37.4%，而在队列深度为1时，Q520的延迟仅为对比型号的21.5%，也就是要低78.5%。

　　作为参考，我们也给出了512字节下的延迟数据，MemBlaze Q520的表现仍然很是不错。

　　接下来看看Iometer的企业级负荷脚本测试指标，仅供参考：

　　文件服务器混杂了各种块大小的读取和写入操作，MemBlaze Q520的表现要比对比产品高一倍左右。

　　网站服务器主要是较小区块的随机读取，Q520要比对比产品高了16%左右。

　　数据库服务器是67%读取和33%写入的100%随机操作，主要是小区块，MemBlaze Q520的峰值要高约215%，指标达到了116k IOPS，不过在重负荷时有所回落，维持在94.5k IOPS的水平。

　　工作站是80%的读取和20%的写入，随机度比服务器的要小，为80%，工作站也属于小区块的操作，MemBlaze Q520的峰值要高193%，将近两倍，为132k IOPS，不过重负荷下同样有所回落。

　　从测试中我们可以看到，尽管只采用了PCIe 1.1 x8接口，MemBlaze Q520仍然提供了不错的数据吞吐速率（读写：1400MB/s和671MB/s），而其小区块IOPS则更为优异，4K随机读取可以达到350k IOPS，写入则可以达到88.4k IOPS。

　　MemBlaze的产品值得骄傲的是其低延迟，在实际测试当中，系统IO延迟可以达到最低157μs/35μs的水平（4K随机读取/写入，单worker、队列深度为1/2，包括系统处理时间和闪存卡处理时间）。在企业级应用负载脚本中，Q520性能要比对比型号高出16%~200%不等。由于MemBlaze Q520的延迟很低，它极为擅长随机操作。

MemBlaze Q520 800GB SSD采用了MemBlaze定义为Deviced Base的第三代PCIe固态硬盘架构

　　低延迟由MemBlaze的“第三代”闪存卡：Device-Based架构来达成，在MemBlaze的闪存卡上，FTL（Flash Translation Layer）由MemBlaze的定制的FPGA来完成，并通过“Ultra-Low Latency Wearleveling on Device-Based（基于设备的极低延迟写入损耗平衡）”和“Latency Smoothing Technology（延迟平滑技术）”两个技术降低读写的平均延迟和延迟抖动，我们的测试表明，Q520的低延迟在小区块时特别明显。

MemBlaze Q520闪存卡提供了极快的4K随机读取性能和所有情况下都强劲而均衡的延迟

　　比较有意思的一点是，MemBlaze的固态硬盘是以中国古代名剑为名，Q520就属于“合伯”。据悉，Q520属于MemBlaze的初代产品，其第二代很快就要上市，请继续期待我们CBSi企业解决方案中心对这些名剑的测试。

附录：古代名剑

　　《史记》载：“天下之剑韩为众。一曰棠溪，二曰墨曜（墨阳），三曰合伯，四曰邓师，五曰宛冯，六曰龙泉，七曰太阿，八曰莫邪，九曰干将。”