Сравнение твердотельных накопителей (SSD) корпоративного и клиентского уровня

Все большее число центров обработки данных, требующих высокой пропускной способности данных и низких задержек при транзакциях, ранее полагавшихся на работоспособность жестких дисков (HDD) на своих серверах, в настоящее время сталкиваются с проблемами в работе, связанными с производительностью. Поэтому твердотельные накопители (SSD) рассматриваются ими как решение для повышения производительности, эффективности и надежности своих центров обработки данных, а также для снижения общих эксплуатационных расходов.

Чтобы понять различия между классами твердотельных накопителей, мы различаем в них два ключевых компонента — контроллер флеш-памяти (также называемый контроллером SSD) и энергонезависимую NAND флеш-память, используемая для хранения данных.

На современном рынке использование SSD и флеш-памяти NAND разделено на три основные группы:

• Потребительские устройства (планшеты, камеры, мобильные телефоны),
• Клиентские системы (нетбуки, ноутбуки, ультрабуки, моноблоки, настольные персональные компьютеры), встроенные/промышленные системы (игровые терминалы, специализированные системы, цифровые вывески)
• Индустриальные вычислительные платформы (HPC, серверы ЦОД).

Однако Выбор твердотельного накопителя для индустриальных центров обработки данных  может быть долгим и сложным процессом, который будет включать в себя изучение и оценку множества различных поставщиков и типов SSD-накопителей, поскольку не все накопители и типы NAND флеш-памяти одинаковы.

Твердотельные накопители призваны стать заменой или дополнением для жестких дисков (HDD) и выпускаются в различных форм-факторах (в том числе 2,5") и используют различные коммуникационные протоколы и интерфейсы (например, Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS), а также, с недавнего времени, NVMe PCIe) для обмена данными с центральным процессором сервера.

Однако простота установки не гарантирует пригодность всех SSD для долгосрочного использования в корпоративных средах, для которых они выбираются; убытки от неправильного выбора SSD часто могут свести к нулю все начальную выгоду от экономии и роста производительности – накопители SSD могут преждевременно выйти из строя из-за избыточного количества операций записи, их постоянная скорость записи может значительно снизиться в течение ожидаемого срока службы или увеличить задержки в массиве накопителей, что приведет к их преждевременной замене.

Мы рассмотрим три основных параметра, отличающие индустриальные и клиентские SSD, чтобы помочь вам сделать правильный выбор при замене или добавлении дополнительных накопителей на сервер.

Производительность

Благодаря многоканальной архитектуре и параллельному доступу контроллера SSD к чипам флеш-памяти твердотельные накопители могут обеспечивать высочайшую скорость чтения и записи, как для последовательных, так и для случайных запросов данных из процессора.

При типичных сценариях использования центра обработки данных, обрабатывающего миллионы байт произвольных данных, например, совместная работа над техническими чертежами в CAD, анализ сейсмических данных (Big Data) или доступ к клиентским данным по всему миру для банковских транзакций (OLTP), доступ к устройствам хранения должен осуществляться с минимальными задержками, что может выполняться большим количеством клиентских устройств, которым нужен одновременный доступ к одинаковым данным без снижения скорости работы. Удобство пользователя обеспечивается низкой задержкой, что повышает продуктивность пользователя. Умножьте это на количество работников, и вы увидите, как преимущества низких задержек могут быстро суммироваться.

В случае клиентского использования доступ осуществляется одним пользователем или приложением; разность между минимальным и максимальным временем отклика (латентность) может быть больше для любых действий пользователя или системы.

На комплексные массивы накопителей, использующие SSD (например, сетевые хранилища, системы хранения с прямым подключением или сети хранения данных), негативное влияние оказывает несоответствие производительности, которое может привести к значительному повышению задержек массивов накопителей, снижению средней производительности и качества обслуживания, в восприятии пользователя.

В отличие от клиентских SSD-накопителей, индустриальные SSD-накопители Kingston оптимизированы не только для пиковой производительности в течение первых нескольких секунд доступа; используя большую избыточную область, они также обеспечивают повышенную среднюю стабильную производительность в течение длительных периодов времени. Подробную информацию о конкретных накопителях можно найти на веб-сайте Kingston в разделе Твердотельные накопители Enterprise.¹

Это гарантирует постоянство производительности массива накопителей для организаций, ожидающих высокое качество обслуживания в течение периодов пиковой нагрузки.

Надежность

У NAND флеш-памяти есть несколько присущих ей проблем. Две наиболее важных из них — это ограничение на ожидаемый срок службы, поскольку ячейки флеш-памяти NAND изнашиваются при повторных записях, и частота естественно случающихся ошибок.

В процессе производства флеш-памяти NAND каждый кристалл NAND вырезается из кремниевого листа и характеризуется исходной частотой ошибочных битов (BER или RBER).

BER определяет частоту возникновения естественных битовых ошибок флеш-памяти NAND без участия кода коррекции ошибок, которые контроллер SSD исправляет с помощью немедленной коррекции Advanced ECC (обычно называемой производителями контроллеров SSD коррекцией ошибок BCH ECC, Strong ECC или LDPC), не влияющей на доступ пользователя или системы.

Способность контроллеров SSD исправлять такие битовые ошибки может выражаться как коэффициент неисправляемых битовых ошибок (UBER) – “показатель искажения данных, равный количеству ошибок данных на чтение битов после применения определенного метода коррекции ошибок”. ¹

В документах ассоциации отраслевых стандартов JEDEC от 2010 года JESD218A: "Требования к твердотельным накопителям (SSD) и способ тестирования надежности" и JESD219: "Нагрузки на твердотельные накопители (SSD), обеспечивающие надежность" указано и стандартизировано отличие накопителей корпоративного и клиентского уровня по множеству параметров, в том числе по способности выдерживать повышенные нагрузки записи, более экстремальные условия окружающей среды и восстановления с более высокой BER, по сравнению с клиентскими SSD.²³

В соответствии с предложенным JEDEC показателем UBER для определения различий между индустриальными и клиентскими SSD является ожидание уровня невосстанавливаемых битовых ошибок с частотой одна ошибка на каждые обработанные 10 квадриллионов бит (~1,11 петабайт) для индустриальных SSD, и на каждый 1 квадриллион бит (~0,11 петабайт) для клиентских SSD-накопителей.

Индустриальные SSD-накопители Kingston также располагают дополнительными технологиями, обеспечивающими исправление поврежденных блоков с помощью данных о чётности, хранящихся в других кристаллах NAND (как, например, в массивах RAID исправляют блоки по данным данных о четности, хранящимся в других блоках).

В дополнение к технологиям восстановления блоков данных, встроенным в индустриальные SSD Kingston, для обеспечения целостности данных при передаче от хоста к флеш-памяти и обратно также используется внутренняя схема сквозной защиты с периодическим созданием контрольных точек и циклической проверкой с избыточностью (CRC). Сквозная защита данных означает, что данные, получаемые из хоста, проверяются на целостность при хранении во внутреннем кэше SSD-накопителя, а затем записываются или считываются из областей хранения NAND.

Наряду с расширенной защитой ECC от битовых ошибок в индустриальных SSD-накопителях также может иметься аппаратная система распознавания отключения питания, управляющая конденсаторами резервного питания SSD. Аппаратная защита от сбоев питания контролирует входное питание SSD и в случаях внезапного его отключения предоставляет электронике накопителя временное питание от конденсаторов, позволяющее завершить все внутренние и внешние операции записи до отключения SSD. Аппаратная защита от потери питания (PLP) обычно требуется для приложений, в которых восстановление данных невозможно.

Защита от потери питания также может быть реализована во встроенном ПО SSD-накопителя путем частой записи данных из кэша SSD контроллера SSD (например, его таблицы трансляции флеш-памяти Flash Translation Layer) в флеш-память — это не гарантирует сохранность всех данных при сбое питания, но уменьшает эффект от небезопасного отключения питания. Защита от потери питания во встроенном ПО также гарантирует, что SSD-накопитель не выйдет из строя после небезопасного отключения.

Во многих ситуациях использование программно определяемых хранилищ (Software Defined Storage) или кластеринг серверов могут снизить потребность в аппаратной защите от сбоев питания, так как все данные реплицируются в отдельное независимое устройство накопления на другом сервере или серверах. Гипермасштабируемые центры обработки данных часто предпочитают поддержке защиты от потери питания с помощью Software Defined Storage использование RAID-серверов для хранения избыточных копий данных.

Длительный срок службы

Все типы флеш-памяти NAND, содержащиеся во флеш-устройствах хранения, постепенно теряют способность надежного хранения данных с каждым циклом программирования-стирания ячейки флеш-памяти NAND и достигают состояния, при котором надежное хранение данных невозможно; после этого необходимо деградировавший или испорченный блок удаляется из пула хранения данных. Логический адрес блока (LBA) при этом перемещается на другой физический адрес в массиве флеш-накопителей NAND. Новый блок накопителя заменяет неисправный с помощью пула запасных блоков (Spares Block), являющегося частью резервной области (Over Provisioned, OP) SSD.

Поскольку программирование или стирание данных ячейки происходит постоянно, BER линейно возрастает; по этой причине необходимо использовать в контроллере корпоративного SSD набор комплексных методов управления для обеспечения возможности надежного хранения данных в ячейке на протяжении всего ожидаемого срока службы SSD.⁴

Количество допустимых циклов программирования-стирания (P/E) конкретной флеш-памяти может значительно варьироваться в зависимости от литографического процесса производства и изготавливаемого типа флеш-памяти NAND.

Индустриальные SSD-накопители отличаются от клиентских и по нагрузкам. SSD-накопители индустриального класса должны выдерживать интенсивные нагрузки по чтению и записи в условиях работы, типичных для серверов центров обработки данных, где доступ к данным требуется в течение всех 24 часов каждый день недели. Сравните это с клиентскими SSD-накопителями, обычно используемыми только 8 часов в день в течение рабочей недели.

Индустриальные SSD рассчитаны на полную круглосуточную нагрузку, в отличие от клиентских с нагрузкой 20/80 (20% времени активны, 80% в режиме ожидания или сна при работе компьютера).

Расчет ресурса записи для любой области применения или SSD-накопителя может быть сложным, поэтому комитет JEDEC также предложил показатель для измерения ресурса, использующий величину общего объема записанных данных хоста в терабайтах (TBW), для указания количества данных, которое может быть записано на SSD-накопитель до того, как его флеш-память станет малонадежной, и накопитель потребует замены.

Используя предложенные JEDEC способы тестирования JESD218A и нагрузки для накопителей индустриального класса JESD219 удобнее оценивать ресурс SSD, предоставленный производителями в TBW, и экстраполировать его в более наглядный показатель ресурса, применимый к любому центру обработки данных.

Как отмечается в документах JESD218 и JESD219, на рабочие нагрузки различных классов приложений также может влиять коэффициент увеличения объема записи (WAF), означающий превышение фактического объема записи во флеш-память над количеством данных, предоставленных на запись хостом. Это с течением времени может легко привести к неуправляемому износу флеш-памяти и повышенному BER из-за чрезмерной записии, а также к понижению производительности из-за большого количества неисправных страниц на SSD.

При том, что TBW остается важным аспектом для понимания разницы между индустриальными и клиентскими SSD, нужно понимать, что TBW — это модель прогнозирования выносливости накопителя только на уровне его флеш-памяти. Для прогнозирования же выносливости и надежности на уровне компонентов, используемых в устройстве, следует рассмотреть показатель «Средняя наработка на отказ» (MTBF). От компонентов индустриальных SSD ожидается более длительный срок службы и более эффективное управление флэш-памятью в течение ожидаемого срока службы накопителя. Все индустриальные SSD-накопители должны иметь показатель MTBF не менее двух миллионов часов, что эквивалентно более чем 230 годам! Kingston очень консервативно оценивает свои твердотельные накопители, иногда для SSD можно увидеть и более высокие заявленные значения MTBF, но тут важно заметить, что 2 миллиона часов — это более чем достаточно для индустриальных SSD-накопителей.

Система контроля и отчетности S.M.A.R.T. индустриальных SSD-накопителей позволяет с легкостью определять предшествующее неисправности состояние устройства на основании коэффициента увеличения объема записи (WAF) и уровня износа. Также система часто поддерживает предупредительные сообщения, предшествующие неисправности, например, сообщения об отключении питания, о битовых ошибках, произошедших из-за физического интерфейса, или о неравномерном распределении износа. С веб-сайта Kingston можно загрузить утилиту Kingston SSD Manager и использовать ее для контроля состояния накопителя.

Клиентские SSD могут иметь только минимальные функции вывода S.M.A.R.T. для контроля накопителя при стандартном использовании или после возникновения неисправности.

В зависимости от области применения и емкости SSD-накопителя может выделяться расширенная резервная емкость (OP) флеш-памяти. Емкость OP скрыта от доступа пользователя и операционной системы. Она может использоваться как временный буфер записи для повышения установившейся производительности, а также для замены дефектных блоков флеш-памяти в течение срока службы SSD для увеличения его надежности и срока службы (благодаря повышенному количеству запасных блоков).