固態(tài)硬盤存儲(chǔ)在航空氣象領(lǐng)域的應(yīng)用前景

楊 昕，朱盛文

（1.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，北京 100621；2.中國民用航空呼倫貝爾空中交通管理站，呼倫貝爾 021008）

1 引言

在航空氣象領(lǐng)域，實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)氣象數(shù)據(jù)、以及數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算數(shù)據(jù)量每年都以幾何倍數(shù)增長。如何進(jìn)行高效和安全的存儲(chǔ)成為研究的新課題。隨著科技的發(fā)展，由固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的固態(tài)硬盤逐漸興起。目前已被廣泛應(yīng)用于軍事、航天、導(dǎo)航、醫(yī)療等領(lǐng)域。其高速讀寫的特性，以及在固態(tài)硬盤組成盤陣后的極大優(yōu)勢(shì)，適合在航空氣象領(lǐng)域應(yīng)用。

2 固態(tài)硬盤介紹

固態(tài)硬盤，是由固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤，其硬件組成還包含控制單元和存儲(chǔ)單元。固態(tài)硬盤在使用上與普通硬盤沒有任何區(qū)別。并且固態(tài)硬盤在外形和尺寸上也與普通硬盤完全相同。目前常見的固態(tài)硬盤主要分為兩種，一種存儲(chǔ)介質(zhì)是閃存芯片的固態(tài)硬盤，另外一種存儲(chǔ)介質(zhì)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的固態(tài)硬盤。

存儲(chǔ)介質(zhì)是閃存芯片的固態(tài)硬盤，主要采用閃存芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，也被稱為SSD（Solid State Disk）。目前市面上這一類固態(tài)硬盤比較普遍，常用作于筆記本硬盤、存儲(chǔ)卡、U盤等。這種SSD的固態(tài)硬盤最大的特點(diǎn)是在讀寫時(shí)移動(dòng)不會(huì)損壞其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并且斷電對(duì)其影響也十分小，其適應(yīng)環(huán)境非常廣泛。一般擦寫次數(shù)在5000次以上，以目前常用的120G容量固態(tài)硬盤為例，在正常的寫入情況下，可擦寫的總數(shù)據(jù)量為120G *5000=600000G。假如每天的總數(shù)據(jù)量在100G的情況下，可用總天數(shù)為600000/100=6000天，相當(dāng)于 6000/365=16 年。假如每天的總數(shù)據(jù)量不足10G，就拿10G來算，可以不間斷用160年，再如果用的是480G的固態(tài)硬盤話，可以不間斷的用上600年！

存儲(chǔ)介質(zhì)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的固態(tài)硬盤，主要采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM（Dynamic Random Access Memory）作為存儲(chǔ)介質(zhì)，目前應(yīng)用領(lǐng)域比較少。它的工作機(jī)制類似于普通的機(jī)械硬盤，能夠應(yīng)用于絕大多數(shù)的主流操作系統(tǒng)，并且提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI和FC接口用于連接主機(jī)或者服務(wù)器。其基于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器能夠提供高性能存儲(chǔ)，并且使用壽命很長，唯一不足的是需要獨(dú)立的電源進(jìn)行供電來維護(hù)硬盤上的數(shù)據(jù)安全。

3 固態(tài)硬盤的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 固態(tài)硬盤的優(yōu)點(diǎn)

讀寫速度快：固態(tài)硬盤采用閃存芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其讀寫速度比機(jī)械硬盤快很多。由于固態(tài)硬盤在讀寫時(shí)不需要尋道，其持續(xù)寫入的速度非常迅速。目前市面上固態(tài)硬盤大多支持持續(xù)寫入速度超過500M每秒。固態(tài)硬盤的快速，不僅僅是體現(xiàn)在持續(xù)寫入上，其隨機(jī)讀入速度快同樣是固態(tài)硬盤的優(yōu)勢(shì)。在絕大部分的日常操作中隨機(jī)讀入的速度也是十分重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在讀取時(shí)間上，目前市面上常見的機(jī)械硬盤的讀取時(shí)間平均為十毫秒左右，而固態(tài)硬盤可以達(dá)到十分之一毫秒甚至更短的時(shí)間。

防震抗摔性強(qiáng)：一般機(jī)械硬盤都是利用磁道存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在磁道中，須要靠機(jī)械磁針進(jìn)行讀寫。而SSD類固態(tài)硬盤是使用閃存芯片進(jìn)行存儲(chǔ)，其硬盤構(gòu)造不存在任何的機(jī)械部件。

如果在使用中出現(xiàn)移動(dòng)或碰撞等情況，機(jī)械硬盤的磁針很可能會(huì)劃傷磁道，造成數(shù)據(jù)損壞，而固態(tài)硬盤則不會(huì)。

低功耗：根據(jù)目前市面上機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的標(biāo)稱功耗，以及日常應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)表明，固態(tài)硬盤在使用中的功耗要低于機(jī)械硬盤。同時(shí)SSD類固態(tài)硬盤在使用中發(fā)熱量較低。

無噪音：一般機(jī)械硬盤都會(huì)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，在工作時(shí)會(huì)發(fā)出聲響，由于固態(tài)硬盤沒有任何機(jī)械部件，其使用中的噪音可以認(rèn)定為零。

環(huán)境溫度適應(yīng)強(qiáng)：目前機(jī)械硬盤只能在0攝氏度到60攝氏度范圍內(nèi)工作。而大多數(shù)固態(tài)硬盤可在零下10攝氏度至零上70攝氏度范圍內(nèi)工作。其芯片部分的工作溫度范圍很寬可達(dá)零下40攝氏度至零上80攝氏度。

輕便：固態(tài)硬盤相比機(jī)械硬盤在重量方面更輕便。固態(tài)硬盤與筆記本電腦機(jī)械硬盤相比，重量輕10克至30克，相比普通機(jī)械硬盤則更輕。

3.2 固態(tài)硬盤的缺點(diǎn)

壽命受限制：固態(tài)硬盤閃存芯片的擦寫有次數(shù)限制問題。閃存芯片完整擦寫一次叫做1次P/E，其壽命可以以P/E作單位。34納米的閃存芯片能夠達(dá)到5000次P/E，而25納米的閃存芯片能夠達(dá)到3000次P/E。隨著閃存芯片讀寫技術(shù)的進(jìn)步，固態(tài)硬盤芯片能夠減少不必要寫入量。以240G的固態(tài)硬盤為例，要寫入240G的數(shù)據(jù)才算做一次P/E。普通用戶正常使用，即使每天寫入50G，平均5天完成一次P/E，3000個(gè)P/E能用40年。雖然固態(tài)硬盤的每個(gè)扇區(qū)可以重復(fù)擦寫數(shù)十萬次，但某些應(yīng)用如操作系統(tǒng)的日志記錄等，可能會(huì)集中對(duì)某一扇區(qū)進(jìn)行多次反復(fù)讀寫，而這種情況下，固態(tài)硬盤的實(shí)際壽命可能會(huì)有所減少。

成本較高：目前一塊普通的240G固態(tài)硬盤價(jià)格可以購買一塊普通的2T機(jī)械硬盤，相比較固態(tài)硬盤的價(jià)格還是十分昂貴的。

4 固態(tài)硬盤盤陣的優(yōu)勢(shì)

固態(tài)硬盤組盤陣能夠極大發(fā)揮其讀寫速度的優(yōu)勢(shì)。分別以兩塊“影馳鐵甲戰(zhàn)將240GB”組成RAID0盤陣讀寫速度測(cè)試，和其中單一塊盤的讀寫速度測(cè)試作對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果來看兩塊同樣的固態(tài)硬盤，當(dāng)組成RAID0盤陣時(shí)，其讀寫速度是一塊固態(tài)硬盤的兩倍?？梢源竽懙耐茰y(cè)兩塊固態(tài)硬盤組成RAID1盤陣時(shí)，其讀寫速度和一塊固態(tài)硬盤相當(dāng)。已20塊固態(tài)硬盤組成RAID1盤陣時(shí)，其讀寫速度是一塊固態(tài)硬盤的10倍，約5GB/s，這個(gè)速度還是相當(dāng)可觀的。

針對(duì)于目前氣象數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，對(duì)于硬盤盤陣的讀寫速度要求很高，而且寫入后可以避免多次重復(fù)的擦除，很好的避開了固態(tài)硬盤擦寫壽命短的缺點(diǎn)。使固態(tài)硬盤盤陣的優(yōu)勢(shì)得到了極大的發(fā)揮。

5 展望未來

在如今飛速發(fā)展的航空氣象領(lǐng)域，實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)氣象數(shù)據(jù)、以及數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算數(shù)據(jù)量都以幾何倍數(shù)增長。采用固態(tài)硬盤盤陣，提高數(shù)據(jù)吞吐量，提升計(jì)算以及預(yù)報(bào)效率，具有舉足輕重的重要意義。雖然固態(tài)硬盤具有壽命短、成本高的缺點(diǎn)，但是隨著未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些終將會(huì)解決，而其讀寫速度快、防摔抗震、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)將會(huì)得到更好的發(fā)揮。