什么是全闪存阵列 (AFA)？

全闪存阵列 (AFA) 是一种外部数据存储系统，完全使用闪存硬件介质（即固态硬盘 (SSD)）进行持久数据存储。AFA 也称为固态存储空间磁盘系统或固态阵列 (SSA)。

与旋转磁盘的硬盘驱动器 (HDD) 不同，固态硬盘 (SSD) 没有任何机械部件，具有更高的速度和耐用性。与单纯使用 HDD 相比，全闪存存储系统（由 SSD 组成或由 SSD 与 HDD 混合组成）能够加快数据访问速度，同时提高处理速度并减轻 CPU 负担。

闪存存储容量和外形尺寸各不相同。有些固态硬盘（如 USB 闪存盘中的固态硬盘）比一角硬币还小。尽管早期的 SSD 只能存储少量数据，但随着技术按照摩尔定律发展，其存储容量不断倍增。

如今，得益于固态硬盘 (SSD) 技术，指尖大小的存储设备便能容纳太字节 (TB) 乃至更高容量的数据。由于其紧凑的尺寸和坚固的固态结构，SSD 在笔记本电脑、平板电脑、移动设备和游戏机等电子产品中无处不在。

除了消费级应用程序之外，SSD 和 AFA 也对企业存储空间产生了革命性的影响。传统上，组织的数据中心依赖于配置为网络附加存储 (NAS) 或存储区域网络 (SAN)，或两者兼有的 HDD 来进行数据存储和检索。直到固态存储的进步使全闪存阵列成为一种经济高效的替代方案，并带来了多项性能改进，适合高性能应用程序。

固态硬盘 (SSD) 通常优于机械硬盘 (HDD)。然而，通过在同一机箱内配置 SSD 与 HDD 的混合阵列，厂商只需将部分固定介质替换为闪存即可对现有系统进行升级。如今，全闪存阵列 (AFA) 或混合阵列已成为大规模部署网络附加存储 (NAS) 和存储区域网络 (SAN) 解决方案的首选。

闪存是一种非易失性存储器，它使用半导体晶体管来存储和读取数据。存储在闪存中的数据是持久的和非易失性的，这意味着一旦数据被写入闪存单元，即使断电，该单元也可以保留该数据。

闪存技术有两种类型，根据用于管理存储芯片操作的逻辑架构类型而有所区别：

• NOR 闪存：这种闪存使用 "NOT OR" 布尔逻辑门读写数据。NOR 闪存可以快速访问存储集中的随机数据位，但写入时间较慢，而且价格相对昂贵。NOR 闪存最适合存储固件和启动代码等数据。

• NAND 闪存：NAND 闪存使用 “NOT AND” 布尔逻辑门，对于存储较大文件更具成本效益。NAND 闪存在顺序数据访问方面表现出色，但随机读取速度比 NOR 闪存慢。由于这些原因，NAND 闪存不太适合直接代码执行，但它却是长期大规模数据存储的绝佳选择。

从技术层面来看，NAND 闪存通过浮栅晶体管的排列来存储数据，其功能类似于 NOT AND 逻辑门。每个 NAND 存储单元都包含一个控制逻辑门和一个浮动逻辑门，二者由薄氧化层隔开。

通过 Fowler-Nordheim 隧穿过程，二进制数据可以通过向单元施加电荷并在浮栅中捕获电子的电压，持久地存储在闪存中。反过来，通过消除电荷就可以擦除数据。

虽然闪存有 NOR 和 NAND 两种类型，但“闪存存储”一词几乎总是指 NAND 闪存。尽管 NAND 闪存存储会随着时间的推移而性能下降，需要在几年后定期更换硬件，但 NAND 存储在大多数情况下满足理想操作存储的许多标准。

以下是一些重要特征：

• 非易失性：NAND 闪存可以在无需持续供电的情况下保留数据。

• 基于块：NAND 闪存以大信息块的形式写入和擦除数据，而不是逐字节地写入和擦除数据。

• 大规模高效性：基于其块状结构特性，NAND 闪存非常适合需要大规模数据存储和顺序存取的序列计算任务。与 NOR 闪存相比，NAND 闪存是一种更高效、密度更高的选择。

• 耐用：NAND 和 NOR 闪存单元的耐用性远高于 HDD。闪存单元不含机械部件，而机械部件是 HDD 的潜在故障点。因此，在考虑耐用性时，NAND 闪存是更优的选择。NAND 闪存已成为需要物理移动的数据存储的首选，并且广泛应用于便携式外置硬盘或笔记本电脑等设备。然而，虽然固态存储介质的耐用性确实优于带机械部件的存储单元，但闪存单元的可重写次数是有限的。虽然非易失性闪存通常被认为是长期可靠的，但这类存储单元会随着时间退化，可能由于过度使用或自然老化。最佳实践表明，长期存储在闪存单元上的数据应定期验证，并周期性地复制到新的存储硬件上。

由于体积小、速度快、耐用性强且存储容量高，闪存已成为许多设备的首选解决方案。此类设备包括存储卡、USB 闪存驱动器、智能手机、笔记本电脑、数码相机及类似的便携式设备。然而闪存也因其更大的存储容量和更稳定的物理持久性，在计算设备中获得广泛应用。

固态硬盘 (SSD) 作为全闪存阵列 (AFA) 的核心存储组件，是一种基于半导体技术且采用 NAND 闪存的存储设备。每个 NAND 闪存芯片由一组称为“网格”的存储块组成。网格中的每个块由一组称为页或扇区的存储单元组成。

工程师根据单个存储单元可存储的位数对其进行分类。单层单元 (SLC) 存储 1 位信息，而多层单元 (MLC)、三层单元 (TLC) 和四层单元 (QLC) 分别存储 2、3 和 4 位信息。

每种类型的存储单元都有其自身的优势和挑战。例如，SLC 以高速著称，但价格较高，而更经济的 QLC 可能不如价格更高的替代品可靠。根据单元类型，SSD 中的每个网格可以存储 256 KB 到 4 MB 的数据。

在典型的个人计算系统中，计算机的主要中央处理器 (CPU) 充当控制器，负责指挥对存储器的读写操作。AFA 可以有其他硬件或软件来帮助管理整个联网 SSD 阵列中的这些任务。

最初，SSD 驱动与最初为旧式 HDD 开发的 SATA（串行 ATA）存储接口兼容。SATA SSD 的最大速度约为 550-600 MB/s，比传统 HDD 更快。

然而，为新型非易失性内存快速通道 (NVMe) 协议设计的 SSD 可以利用高速 PCI Express (PCIe) 接口。这种设计使它们能够实现更好的性能，数据传输速率为 3,5000 MB/s 至 14,000 MB/s。换句话说，NVMe SSD 的速度比旧 SATA SSD 技术快大约 20 倍。

NVMe 驱动器不仅吞吐量有所提高，在延迟测试中的表现也优于 SATA 驱动器，并支持数千个并发命令队列。由于这些原因，NVMe SSD 和具有这些类型驱动器的 AFA 非常适合高性能游戏、内容创建和企业存储空间等要求苛刻的任务。

根据 Gartner 的报告，SSD 正逐渐成为支持结构化数据工作负载的首选存储平台，这得益于 NAND 闪存和存储级内存 (SCM) 技术的创新。

现代全闪存存储阵列将先进的软件（有时还包括专用硬件）与高性能 NVMe 驱动器集成，以高效地整合来自多个驱动器的资源。

更进一步来说，顶级全闪存阵列采用更新的协议，即 NVMe over Fabrics (NVMe-oF)，可全面优化存储区域网络 (SAN) 的数据传输速度与延迟表现。这些系统通过在多个独立 NVMe SSD 位置集成定制的 NVMe-oF 模块，使主机能够直接连接并与存储进行通信。

通过整合资源，全闪存阵列 (AFA) 在提供必要冗余的同时，创造了充足的存储容量，并提升了性能和存储管理速度。AFA 还使用先进的数据减少技术，包括数据重复消除、压缩、快照、复制和精简配置，以显著提高存储空间效率。

大多数全闪存阵列厂商还提供先进的监控、数据管理和数据保护软件，帮助负责跟踪资源使用情况、系统健康及其他相关指标的系统管理员。这些工具可帮助组织避免瓶颈并快速响应任何潜在的技术问题或事件。

除了管理软件之外，全闪存阵列产品如 Pure Storage FlashBlade、Dell Unity XT 或 HPE Alletra 还提供插件和扩展，使全闪存存储系统能够快速适应变化的工作负载，并与混合云或 VMware 环境无缝集成。

以下是全闪存存储技术所采用的两种主要架构类型。

扩展型 AFA 采用较老的架构，允许向现有阵列中增加额外存储。

虽然扩展架构允许以简单且经济高效的方式增加容量，但这种方法可能会导致瓶颈，因为中央存储空间管理控制器可能成为单点故障。

采用横向扩展架构的全闪存阵列 (AFA) 通过向系统中添加更多节点，同时增加存储容量和计算能力。

横向扩展型全闪存阵列 (AFA) 是具有快速扩展存储需求潜力的企业存储的首选，因为这种架构即使在系统扩展时也能保证性能一致性。

全闪存阵列 (AFA) 提供了广泛的任务关键型优点，从可扩展性到安全性。这些好处是 AFA 最显著的优势之一。

随着科技在性能、可用性和可负担性方面的提升，全闪存阵列 (AFA) 在许多用例和行业中越来越受欢迎：

• 虚拟化：全闪存阵列 (AFA) 在为虚拟机监控程序 (hypervisor) 软件（运行有虚拟机和虚拟桌面基础设施 (VDI)）提供关键性能和功能支持方面发挥着不可或缺的作用。对于虚拟化，全闪存阵列 (AFA) 用于维持高数据吞吐量，同时实现最低访问延迟，以支持不中断的虚拟化工作量。

• 大数据和人工智能 (AI)：众所周知，AI 模型还需要大型数据集进行训练和运行。AFA 适用于大数据应用程序，例如运行需要强大存储空间性能的复杂 AI 算法。

• 灾难恢复 (DR) 和备份：虽然从历史上看，AFA 解决方案的成本过高，但闪存价格和性能的提高，使其成为备份和灾难恢复的可行选择。AFA 的快速读/写速度适合多级备份。

• 金融服务：在金融科技的推动下，高频交易时代已经到来，这一领域对近乎即时的数据处理速度有着极高的需求。AFA 是金融服务商的重大资产，能实现瞬时交易与数据分析。

• 媒体和娱乐：从流媒体服务到在线媒体市场，AFA 对于寻求存储大量大型数据文件和提供按需高速数据传输的媒体和娱乐公司来说非常有价值。

• 医疗保健：在医疗保健行业，数据访问确实可以拯救生命。AFA 为医院和医疗保健提供方提供数据访问，从而促进及时有效的护理。

• 数据中心：随着现代生活和工业越来越依赖海量数据，数据中心正在不断努力满足需求。AFA 有助于快速可靠地进行数据访问，同时最大限度地减少停机时间。