Daha önce sunucularındaki Sabit Disk Sürücülerine bağlı kalarak yüksek veri hızı ve düşük işlem gecikmesi gerektiren ve sayıları giderek artan kurumsal veri merkezi, artık performans darboğazları yaşıyor ve Katı Hal Disklerini (SSD) veri merkezi performanslarını, verimliliklerini ve güvenilirliklerini artırmak ve genel işletme giderlerini (OpEx) azaltmak için uygun bir çözüm olarak görüyorlar.

SSD sınıfları arasındaki farkları anlamak için SSD'lerin iki önemli özelliğine bakmamız gerekiyor: Flash Veri Depolama İşlemcisi ve verileri saklamak için kullanılan geçici olmayan NAND flash bellek.

Günümüz pazarında SSD ve NAND flash bellek tüketimi üç ana kategoriye ayrılmış durumda: tüketici cihazları (Tabletler, kameralar, cep telefonları), istemci (Netbook'lar, dizüstü bilgisayarlar, ultrabook'lar, AIO, masaüstü kişisel bilgisayarlar), dahili/endüstriyel (Oyun kioskları) ve kurumsal bilişim (HPC, veri merkezi sunucuları).

Bununla birlikte kurumsal veri merkezleri için doğru SSD veri depolama cihazının seçilmesi, tüm SSD'ler ve NAND flash bellekleri aslında eşit üretilmediği için çok sayıda SSD satıcısının ve ürün türünün incelenmesini ve değerlendirilmesini gerekmektedir.

SSD'ler, dönen manyetik disklerin kullanıldığı Sabit Disk Sürücülerinin (HDD) yerine ya da bu sürücüleri tamamlayıcı olarak kolayca kullanılacak şekilde üretilirler ve 2,5" dahil olmak üzere çeşitli form faktörlerinde ve bir sunucunun Merkezi İşlemci Birimiyle (CPU) veri alışverişi için Serial ATA (SATA) ve Serial Attached SCSI (SAS) dahil olmak üzere farklı iletişim protokollerini/arayüzleri kullanacak şekilde gelmektedir.

Ancak kolaylıkla uygulanabiliyor olması, tüm SSD'lerin kullanıldıkları kurumsal uygulama için uzun vadede uygun olmasını garanti etmemektedir. Yanlış SSD'nin seçilmesi, SSD'ler aşırı yazma nedeniyle erken yıprandığında, beklenen kullanım ömrü boyunca daha düşük sürekli yazma performansı verdiğinde ya da veri depolama dizilerinde ek gecikmelere neden olduğunda ve dolayısıyla erkenden değiştirilmeleri gerektiğinde, ilk sağlanan maliyet ve performans avantajlarını kaybetmektedirler.

Bu yazıda, bir kurumsal veri merkezine veri depolama alanı eklemek istediğinizde ya da mevcut veri depolama cihazlarını değiştirmek istediğinizde doğru satın alma kararının verilebilmesi için kurumsal ve istemci sınıfı SSD'ler arasındaki farkları yaratan üç ana nitelikten bahsedeceğiz.

SSD'ler çok kanallı mimarisi ve FSP'nin NAND flash kalıplarına paralel erişimi sayesinde CPU'nun hem sıralı hem rastgele veri taleplerinde müthiş yüksek okuma ve yazma performansı sunabilmektedirler.

Teknik CAD çizimlerinde birlikte çalışma, analiz için sismik veriler (örn. Büyük Veriler) ya da bankacılık işlemleri için dünya çapındaki müşteri verilerine erişim (örn. OLTP) dahil olmak üzere milyonlarca bayt rastgele şirket verisinin yer aldığı tipik bir veri merkezi senaryosunda, veri depolama cihazlarının mümkün olan en az gecikmeyle erişilebilirlik sağlaması gerekmektedir ve tepki süresinde herhangi bir bozulma olmadan aynı veri parçasına erişim gerektiren çok sayıda istemci yer alabilir.

Bir istemci uygulaması, herhangi bir kullanıcı ya da sistem işleminde minimum ve maksimum tepki süresi arasında daha yüksek bir toleransa sahip bir tek kullanıcı ya da uygulama erişimi içerecektir.

SSD'lerin kullanıldığı karmaşık veri depolama dizeleri (örn. Ağa Bağlı Veri Depolama, Doğrudan Bağlı Veri Depolama ya da Veri Depolama Alanı) da performansların düşüklüğünden olumsuz yönde etkilenir ve veri dizesi gecikmesi, sürekli performans ve sonuç olarak hizmet kalitesinde sorunlara neden olabilir.

İstemci SSD'lerinin aksine, Kingston E100 katı hal sürücüsü gibi kurumsal sınıf SSD'ler, ilk birkaç saniyelik erişim içinde en üst performansı sağlamanın yanı sıra, büyük fazla-sağlanmış (over-provisioned OP) alan kullanılması sayesinde aynı zamanda daha uzun sürelerde daha yüksek sürekli sabit performans da sağlarlar. [1]

Bu durum, veri depolama dizesi performansının, yüksek veri trafiği yükü sırasında kurumların bekledikleri hizmet kalitesi ile tutarlı olmasını garanti eder.

NAND flash belleklerle ilişkili çeşitli yapısal sorunlar vardır. Kullanım ömrü beklentisinin sınırlı olması ve doğal olarak meydana gelen hata oranı bunlardan en önemli iki tanesidir.

NAND flash'ların üretimi sırasında her NAND flash kalıbı, test edilir ve ham Bit Hata Oranı (BER - Bit Error Rate ya da RBER) ile sınıflandırılır.

BER, Hata Düzeltme Kodu (ECC) avantajı olmadan ve FSP'nin çalışma anında, kullanıcıyı ya da sistem erişimini rahatsız etmeden gelişmiş ECC'yi kullanarak düzelttiği NAND flash'taki doğal olarak gerçekleşen bit hataları oranını tanımlar.

Flash Veri Depolama İşlemcisinin bu bit hatalarını düzeltme yeteneği, "her türlü belirtilen hata düzeltme yöntemini uyguladıktan sonra bit başına veri hatası sayısına eşit veri bozulma oranı için bir ölçüm" olan Düzeltilemez Bit Hatası Oranı (UBER - Uncorrectable Bit Error Ratio ) olarak yorumlanabilir. [2]

2010 yılında JESD218A: Katı Hal Sürücüsü (SSD) Gereksinimleri ve Dayanıklılık Testi Yöntemi ve JESD219: Katı Hal Sürücüsü (SSD) Dayanıklılık İş Yükleri belgesi ile JEDEC Komitesi tarafından tanımlanan ve standartlaştırılan kurumsal sınıf SSD'ler, istemci sınıfı SSD'lere göre daha yüksek yazma iş yüklerini, daha zorlu çevresel koşulları destekleyebilmeleri ve bir istemci SSD'sine göre daha yüksek BER'den kurtulabilmeleri dahil olmak ama bunlarla sınırlı olmamak üzere çeşitli şekillerde farklılık gösterirler. [3] [4]

Tablo 1 - JESD218A: Katı Hal Sürücüsü (SSD) Gereksinimleri ve Dayanıklılık Testi Yöntemi Telif hakkı JEDEC. JEDEC'in izniyle çoğaltılmıştır.

Kurumsal SSD'ler ile istemci SSD'ler arasında JEDEC tarafından önerilen UBER gereksinimleri kullanıldığında, kurumsal sınıf bir SSD'nin 10 kuadrilyon bit için (~1,11 Petabayt) 1 oranında 1 kurtarılamaz bit hatası yaşaması beklenirken, istemci SSD'lerinde bu değer her 1 kuadrilyon bit (~0,11 Petabayt) için 1 bit hatasıdır.

LSI® SandForce®'un Redundant Array of Independent Silicon Elements (R.A.I.S.E. ™) teknolojisi dahil olmak üzere ek koruma yöntemleri, FSP ECC bir bit hatası düzeltemediğinde yaşanacak durumlarla mücadele etmek için NAND flash kalıplarında ayıklanmış parite kullanımı ile kurumsal SSD'lere uygulanabilmektedirler.

R.A.I.S.E. ™ teknolojisi, UBER'i işlenen her 100 oktilyon bit (10-29) ya da ~111022302462515,66 Petabayt için etkili biçimde 1 bit hatasına indirebilmekte ve standart bir SSD'ye göre yaklaşık 1 kuadrilyon kat daha az UBER sunabilmektedir. [5]

Kingston E100 SSD'de R.A.I.S.E. ™ teknolojisini tamamlamak için periyodik kontrol noktası oluşturma ve Cyclic Redundancy Check (CRC) baştan sona dahili koruma programı da kullanılarak, ana makineden flash'a ve yeniden ana makineye veri akışının doğruluğu sağlanabilmektedir.

Kurumsal sınıf SSD'lerin, bit hatalarına karşı gelişmiş ECC korumasına benzer biçimde aynı zamanda, gelen elektriği izlemek ve elektrik kesilmesi durumunda geçici elektrik sağlayan Tantalum kapasitörleri kullanarak, dahili ya da harici olarak gönderilen bekleyen yazma işlemlerinin tamamlanmasını sağlamak için Kingston E100'ün elektrik kesintisi desteğine eşdeğer bir elektrik kesintisi algılama mantığına sahip bir kontrol elektronik sistemi içermeleri de gerekmektedir.

Flash veri depolama aygıtlarında bulunan tüm NAND flash bellekler, bir NAND flash bellek hücresinin her program ya da silme (P/E) döngüsünde NAND flash artık güvenilir biçimde veri saklayamayacak duruma gelene ve bu noktada kullanıcı tarafından adreslenebilir havuzdan çıkartılması ve mantıksal adresin NAND flash veri depolama dizesinde yeni bir fiziksel adrese hareket ettirilmesi gerekene kadar veri bitlerini güvenilir biçimde saklama yeteneklerini kaybetmeye başlarlar.

Hücre sürekli olarak programlandığında ya da silindiğinde BER de doğrusal olarak artar ve bu nedenle, kurumsal SSD'lerin FSP'sinde, SSD'nin tahmini kullanım ömrü boyunca güvenilir biçimde veri saklama yeteneğini yönetmek için daha karmaşık yönetim tekniklerinin yer alması gerekmektedir. [6]

Belirli bir NAND flash belleğin P/E dayanıklılığı, üretilen NAND flash'ın geçerli litografi üretim sürecine ve türüne bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterebilir.

Tablo 2 – NAND bellek türleri [6] [7] [8] [9]

Kingston E100 kurumsal sınıf SSD'de kullanılan kurumsal sınıf Çok Seviyeli Hücreli (e-MLC) NAND flash bellek, standart sınıf MLC NAND flash belleklerle benzer şekilde çalışır ancak istemci sınıfı SSD'lerde kullanılan standart MLC'ye göre daha yüksek P/E dayanıklılığı ve daha düşük BER elde etmek için ek tarama ve değerlendirme gereksinimlerine sahiptir.

Bir kurumsal sınıf SSD'nin, haftanın her günü 24 saat boyunca veri erişimi gerektiren tipik veri merkezi sunucusu senaryolarında ağır yazma etkinliğine dayanabilmesi gerekirken, İstemci sınıf SSD'ler tipik olarak yalnızca hafta boyunca günce 8 saat tam kullanıldıklarından, e-MLC yüksek performanslı, kapasiteli ve dayanıklı SSD'ler için en uygun teknolojidir.

Herhangi bir uygulamanın ya da SSD'nin yazma dayanıklılığını anlamak karmaşık olabileceğinden JEDEC komitesi, SSD'nin içindeki NAND flash güvenilir olmayan bir ortam haline gelene ve sürücünün artık kullanımdan kaldırılması gerekene kadar SSD'ye yazılabilecek ham veri miktarını belirtmek için Yazılan Terabayt (TBW - TeraBytes Written) birimini kullanan bir dayanıklılık ölçümü önermiştir.

JEDEC tarafından önerilen JESD218A test yöntemleri ve JESD219 kurumsal sınıf iş yükleri kullanılarak, bir SSD üreticisinin, TBW değerini kullanarak dayanıklılık hesaplamalarını yorumlaması ve herhangi bir veri merkezi için uygulanabilecek daha anlaşılır bir dayanıklılık ölçümü belirlemesi kolay bir iş halini almaktadır.

JESD218 ve JESD219 belgelerinde belirtilen şekilde farklı uygulama sınıfı iş yükleri, ana makine tarafından gönderilen yazma döngüsünün katlarına varacak mertebede bir yazma yükseltme faktörüne (WAF - write amplification factor) sahip olabilir ve bu durum yönetilemeyecek NAND flash yıpranmasına, zaman içinde aşırı yazma nedeniyle yüksek NAND flash BER değerine ve SSD'de geniş biçimde dağıtılan geçersiz sayfalardan dolayı düşük performansa neden olabilir. LSI® SandForce® DuraWrite™ teknolojisine sahip Kingston E100'de kullanılan çalışma anındaki sıkıştırma mekanizması, genel WAF'yi azaltır ve kurumsal sınıftaki uygulamalar için NAND flash dayanıklılığını arttırır.

TBW, kurumsal ve istemci sınıfı SSD'ler arasında tartışılması gereken önemli bir husus olmasına karşın yalnızca bir NAND flash seviyesi dayanıklılık tahmin yöntemidir ve cihazda kullanılan bileşenlerin güvenilirliğini temel alan bileşen seviyesi dayanıklılık ve güvenilirlik tahmin modeli olarak Arızalar Arası Ortalama Süre (Mean Time Between Failure - MTBF) kullanılmalıdır. Kurumsal sınıf SSD bileşenlerinden beklentiler arasında SSD'nin kullanım ömrü beklentisi boyunca tüm NAND flash belleğindeki voltajların yönetilmesinde dayanıklılık ve daha sıkı çalışma gösterilebilir.

Kurumsal sınıf SSD'ler üzerindeki S.M.A.R.T. izleme ve raporlama, geçerli yazma yükseltme faktörüne ve aşınma seviyesine göre kullanım ömründe erken arızalar için cihazın kolayca değerlendirilmesini sağlar. Güç kesintisi, fiziksel arayüzden kaynaklanan bit hataları ya da eşit olmayan yıpranma dağılımı gibi arızalar için erken arıza tahmin uyarıları da desteklenmektedir.

İstemci sınıfı SSD'lerde yalnızca standart kullanım ya da arıza sonrası izleme için minimum S.M.A.R.T. bilgi çıkışı yer alabilir.

SSD'nin uygulama sınıfına ve kapasitesine göre, fazla-sağlanmış (over-provisioned OP) kapasite olarak NAND flash bellekte daha yüksek bir yedek kapasite ayrılmış olabilir. OP kapasitesi kullanıcıdan ve işletim sistemi erişiminden gizlenir ve yüksek sürekli performans için geçici yazma tamponu olarak ve SSD'nin güvenilirliğini ve dayanıklılığını arttırmak için SSD'nin kullanım ömrü beklentisi sırasında hatalı flash bellek hücrelerinin yerini almak üzere kullanılabilir.

Kurumsal ve istemci sınıfı SSD'lerde, NAND flash bellek Programlama ve Silme dayanıklılıklarından farklı uygulama sınıfı iş yüklerine uymak üzere karmaşık yönetim tekniklerine kadar çeşitli farklılıklar bulunmaktadır.

Uygulama sınıflarındaki bu farklılıkların, performansa, güvenilirliğe ve dayanıklılığa nasıl etki ettiğinin anlaşılması, zorlu ve çoğu zaman kritik kurumsal ortamlarda kötü sonuçlara neden olabilecek çalışmama risklerinin en aza indirilmesi ve yönetilmesinde etkili bir araç olabilir.