科技進步的背后有一條真理：發(fā)明者和工程師們首先理解并實現(xiàn)新技術的基礎原理，接著才去考慮如何在性能和成本上做進一步優(yōu)化。這個原則在 SSD 固態(tài)存儲領域同樣適用，也就是人們常說的從實驗室到量產(chǎn)階段。

接下來，我們將介紹一項近年來固態(tài)硬盤技術的重要進展——主機內(nèi)存緩沖區(qū) (Host Memory Buffer，HMB)，它利用主機內(nèi)存來提升存儲設備性能，推動了固態(tài)硬盤技術的進一步發(fā)展。

SSD 緩存設計的權衡因素

在固態(tài)硬盤 (SSD) 設計中，增加 NAND Flash 存儲單元（閃存顆粒）可以提升容量和性能。然而，正如所有產(chǎn)品設計一樣，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，但這會占用更多物理空間。由于硬盤的 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 代表動態(tài)隨機存取存儲器，該閃存模塊安裝在固態(tài)硬盤的印刷電路板 (PCB) 上，用于存儲數(shù)據(jù)映射表，這些表記錄了所有的邏輯塊及其物理位置。簡單來說，DRAM 讓固態(tài)硬盤能夠更快處理隨機數(shù)據(jù)請求，還用于緩存寫入數(shù)據(jù)，提高寫入性能。但 DRAM 會顯著提高 SSD 的成本，它的成本可能是普通 NAND Flash 的數(shù)倍。

無緩方案（沒有 DRAM）

為了降低成本，目前，許多廠商選擇移除快速但昂貴的 DRAM，也就是人們常說的「無緩方案」。然而，DRAM 是一種高速的易失性存儲器，并不能被輕易取消。沒有 DRAM 的設計在數(shù)據(jù)傳輸，尤其是處理高容量隨機讀取時，會面臨性能下降和信號完整性的挑戰(zhàn)。DRAM 的存在能讓數(shù)據(jù)訪問更快，缺少它可能會顯著影響硬盤的整體性能。

什么是 HMB 主機內(nèi)存緩沖區(qū)

那么，工程師要如何解決無緩 SSD 的性能問題呢？簡單來說，就是使用 HMB（主機內(nèi)存緩沖區(qū)）技術。HMB 允許 SSD 利用主機的內(nèi)存資源，主動提升性能。

為 SSD 分配主機內(nèi)存

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

• NVMe (NVM Express) 是一個開放標準，用于定義如何訪問非易失性存儲設備，如 NAND Flash。
• NVMe 1.2 規(guī)范規(guī)定了 HMB 如何將主機內(nèi)存分配給 SSD 使用。經(jīng)過適當配置的 SSD 可以與主機通信，申請指定的最小緩沖區(qū) (Buffer) 大小。
• NVMe 1.2 還設置了各種條件和限制，以確保在 SSD 意外斷開連接時，數(shù)據(jù)不會丟失或損壞。
• 要使用 HMB，還需要 SSD 和操作系統(tǒng)都必須同時支持。比如，從 2017 年發(fā)布的 Windows 10 1703 版本開始，Windows 系統(tǒng)就已經(jīng)支持 HMB 技術；Linux 內(nèi)核從 4.14 版本開始也全面支持HMB。

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

為什么選擇 HMB？從有緩到無緩 SSD

早期的 SSD 設計中，同時使用了非易失性閃存和易失性 RAM 來提高數(shù)據(jù)處理效率。具體來說，DRAM 設備被用作緩沖區(qū)，主要有兩個原因：

• DRAM 是易失性的，斷電后數(shù)據(jù)會丟失，因此不適合長期數(shù)據(jù)存儲。
• RAM 設備的讀寫速度比閃存設備更快。這個特性讓 RAM 能夠作為「中繼站」，在數(shù)據(jù)傳輸時提供臨時存儲，為持續(xù)處理任務的 NAND Flash 提供緩解。

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

• 關機時，L2P 表會存儲在 NAND Flash 中，防止在斷電時丟失。
• 開機后，這些表會被加載到 DRAM 中，由控制器繼續(xù)實時更新。

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

SSD 有 DRAM 緩存運行機制

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

無緩 SSD 也將 L2P 表保存在 NAND Flash 中，當控制器需要訪問 L2P 表時，會將表加載到控制器的內(nèi)部 SRAM 中進行更新，然后再次存儲在 NAND Flash 中。

無 DRAM 和無 HMB 的 SSD 緩存操作機制

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，因此無緩 SSD 的性能通常不如有緩設計。

無 DRAM 和有 HMB 的 SSD 緩存操作機制

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

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

有無 HMB 性能提升對比

在啟用 HMB 后，SSD 在「隨機讀取」操作時的性能會得到顯著提升。然而，HMB 的性能提升也會因為工作負載的不同而有所變化。這是因為：主機不總能提供足夠的內(nèi)存空間給 NAND Flash 控制器來使用。

「隨機讀取」指的是控制器根據(jù)主機請求，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載下，使用 HMB 后，數(shù)據(jù)處理從 1 GB 到 32 GB 時的性能非線性提升：

1GB 數(shù)據(jù)隨機讀取

8GB 數(shù)據(jù)隨機讀取

32GB 數(shù)據(jù)隨機讀取

• 出現(xiàn)這種非線性是由于 HMB 的緩存容量有限，在處理 L2P 表和大量中間數(shù)據(jù)時，性能提升會逐漸減緩。
• 比如，在處理 32 GB 數(shù)據(jù)時，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，HMB 仍能帶來超過 100000 IOPS 的額外提升，這個提升非常顯著。要知道，即使是通過精細的固件優(yōu)化，也很難實現(xiàn)如此大幅度的性能增長。

IOPS（每秒輸入/輸出操作）是衡量存儲設備性能的關鍵指標，直接反映了設備處理數(shù)據(jù)請求的速度。

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)同時支持。通常情況下：

• 在 SSD 的固件中，通常會預設 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，默認支持 HMB 緩存功能。

如果你安裝了 SSD 廠商的官方硬盤驅動或管理程序，通?？梢钥吹绞欠裰С植⒂?HMB 功能，這個需要你自己去探索使用；如果你沒有安裝 SSD 廠商的應用，Windows 會使用系統(tǒng)自帶的 StorNVMe 存儲控制器驅動程序，該驅動的 HMB 容量上限默認為 64MB。

你可以通過更改注冊表，來調(diào)整 HMB 容量：

1、使用Windows + R快捷鍵打開「運行」對話框，執(zhí)行regedit打開注冊表編輯器。

2、導航到以下路徑：

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\StorPort

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

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

設置 HmbAllocationPolicy 注冊表值

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