Бер 2019
Блог

Порівняння індустріальних та клієнтських SSD-накопичувачів

Постійно зростаюча кількість індустріальних центрів обробки даних (ЦОД), які потребують високої швидкості передачі даних і низьких затримок операцій. Оскільки застарілі жорсткі диски (HDD) призводить до зниження продуктивності серверів, потрібні сучасні твердотільні накопичувачі (SSD) для підвищення продуктивності, ефективності та надійності ЦОД, а також для зниження загальних операційних витрат (OpEx).

Щоб розібратися у відмінностях між різними класами SSD-накопичувачів, необхідно розглянути два основні компоненти SSD-накопичувача: контролер флеш-накопичувача (або просто SSD-контролер) та енергонезалежну NAND флеш-пам’ять, що використовується для зберігання даних.

Сучасні SSD-накопичувачі та NAND флеш-пам’ять можна розділити на три основні групи:
  • споживчі пристрої (планшети, камери, мобільні телефони);
  • клієнтські системи (нетбуки, ноутбуки, ультрабуки, моноблоки, настільні персональні комп’ютери), вбудовані та промислові системи (ігрові термінали, спеціалізовані системи, цифрові вивіски);
  • індустріальні обчислювальні платформи (високопродуктивні обчислювальні машини, сервери для ЦОД).

Але вибір відповідного SSD-накопичувача для індустріальних ЦОД може стати довгим і складним процесом, який включатиме вивчення та оцінку багатьох різних постачальників і типів продукції, оскільки не всі SSD-накопичувачі та NAND флеш-пам’ять є однаковими.

SSD-накопичувачі призначені для заміни або доповнення жорстких дисків (HDD) на основі намагнічених пластин, що обертаються, і випускаються в різних формфакторах (наприклад, 2.5"), з різними протоколами/інтерфейсами (наприклад, Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) і найновіший інтерфейс PCIe для обміну даними з центральним процесором (CPU) сервера.

Але простота розгортання не гарантує, що всі SSD-накопичувачі будуть придатні для довготривалого використання в індустріальних середовищах, для яких їх було придбано; збитки в разі неправильного вибору SSD-накопичувачів можуть звести нанівець всю початкову вигоду, отриману від економії та зростання продуктивності, оскільки SSD-накопичувачі передчасно зношуються через надмірну кількість операцій запису, а їх постійна швидкість запису може значно знизитися протягом очікуваного строку служби або збільшити затримки в дисковому масиві, що призведе до їх дострокової заміни.

Ми розглянемо три основні параметри, які відрізняють індустріальні та клієнтські SSD-накопичувачі, щоб допомогти вам зробити правильний вибір, коли настане час замінити або додати накопичувачі до датацентру.

Продуктивність

Завдяки використанню багатоканальної архітектури та паралельному доступу SSD-контролера до мікросхем NAND флеш-пам’яті, SSD-накопичувачі забезпечують неймовірно високу швидкість читання й запису як для послідовних, так і випадкових запитів даних, що здійснюються центральним процесором.

У типовому сценарії використання ЦОД, що передбачає обробку мільйонів байт випадкових даних, зокрема спільну роботу над технічними кресленнями в CAD, аналіз сейсмічних даних (наприклад, обробка великих обсягів даних) або доступ до даних клієнтів по всьому світі для обробки банківських транзакцій (наприклад, обробка транзакцій у реальному часі), доступ до сховищ даних повинен здійснюватися з мінімальними затримками і може бути пов'язаним з великою кількістю клієнтів, яким потрібен одночасний доступ до тих самих даних без погіршення швидкості роботи. Зручність роботи користувачів забезпечується низькими затримками, що підвищує їхню продуктивність.

Коли йдеться про клієнтське застосування, доступ здійснюється одним користувачем або застосунком із більш високою допустимою різницею між мінімальним і максимальним часом відгуку (латентність) на будь-які дії користувача або системи.

На складні дискові масиви, які використовують SSD-накопичувачі (наприклад, мережеві сховища, системи зберігання даних із прямим підключенням або мережі зберігання даних), також негативно впливає невідповідність продуктивності, що призводить до значного підвищення затримок у дискових масивах, зниження середньої продуктивності та якості обслуговування.

На відміну від клієнтських SSD-накопичувачів, індустріальні SSD-накопичувачі Kingston оптимізовані не лише для досягнення пікової продуктивності протягом перших кількох секунд доступу, а завдяки використанню більшого резерву (OP) вони також забезпечують підвищену середню стабільну продуктивність протягом тривалих періодів часу. Докладнішу інформацію про конкретні накопичувачі можна знайти на вебсайті Kingston в розділі «Індустріальні SSD-накопичувачі». «Індустріальні SSD-накопичувачі».{{Footnote.N48213}}

Це гарантує, що продуктивність дискового масиву відповідатиме очікуваній якості обслуговування (QoS) організації під час пікових навантажень.

Надійність

NAND флеш-пам’яті властиві деякі обмеження: двома найважливішими є граничний строк служби (осередки флеш-пам’яті NAND зношуються під час багатократного запису даних) та рівень помилок, виникаючих при нормальній роботі.

У процесі виробництва флеш-пам’яті кожен її кристал, вирізаний із кремнієвої пластини, проходить тестування та класифікується за рівнем бітових помилок (BER або RBER).

BER визначає рівень бітових помилок NAND флеш-пам’яті без використання коду корекції помилок (ECC),які SSD-контролер виправляє з використанням технології Advanced ECC (яку виробники контролерів зазвичай називають BCH ECC, Strong ECC або LDPC), що не впливає на доступ користувача або доступ до системи.

бітові помилки можна інтерпретувати за допомогою коефіцієнта невиправних бітових помилок (UBER) — «показника пошкодження даних, що дорівнює кількості помилок даних на прочитаний біт після застосування певного методу корекції помилок». {{Footnote.N48213}}

Як визначено та стандартизовано Асоціацією галузевих стандартів JEDEC в 2010 році, в стандартах JESD218 («Вимоги до твердотільних накопичувачів і метод тестування на витривалість») і JESD219 («Робочі навантаження на твердотільні накопичувачі»), індустріальнінакопичувачі відрізняються від клієнтських накопичувачів за рядом параметрів, зокрема за здатністю підтримувати підвищені навантаження запису, більш екстремальні навколишні умови та відновлення із більш високим показником BER, ніж клієнтські SSD-накопичувачі.{{Footnote.N52081}}{{Footnote.N52082}}

Клас застосуванняРобоче навантаження (див. JESD219)Активне використання (живлення ввімк.)Зберігання (живлення вимк.)Вимоги UBER
Клієнтський Клієнтський 40 °C 8 год/день 30 °C 1 рік ≤10 -15
Індустріальний Індустріальний 55 °C 24 год/день 40 °C 3 місяці ≤10 -16

Таблиця 1. JESD218 «Вимоги до твердотільних накопичувачів і метод тестування на витривалість»
© JEDEC. Відтворено з дозволу JEDEC.

Відповідно до запропонованих JEDEC вимог UBER для індустріальних SSD-накопичувачів очікується поява 1 невиправної бітової помилки на кожні 10 квадрильйонів біт (~1,11 петабайт), а для клієнтських SSD-накопичувачів — 1 бітова помилка на кожний 1 квадрильйон біт (~0,11 петабайт).

Індустріальні SSD-накопичувачі Kingston оснащені також додатковими технологіями, що забезпечують відновлення пошкоджених блоків за допомогою додаткових даних, що зберігаються в інших кристалах NAND (за аналогією з масивами RAID, коли певні блоки відновлюються за допомогою додаткових даних, що зберігаються в інших блоках).

На додаток до вбудованих в індустріальні SSD-накопичувачі Kingston технологій відновлення блоків даних з використання додаткових блоків, також використовується внутрішня схема наскрізного захисту з періодичним створенням контрольних точок, циклічною перевіркою надмірності (CRC) і корекцією помилок ECC, щоб гарантувати цілісність даних під час обміну даними між хостом і флеш-пам’яттю. Наскрізний захист даних означає, що дані, які надаються хостом, перевіряються на цілісність при зберіганні у внутрішньому кеші SSD-накопичувача, а також при запису або читанні інформації в NAND.

Подібно до індустріальних SSD-накопичувачів з підвищеним захистом ECC від бітових помилок, SSD-накопичувачі також можуть містити фізичну схему для розпізнавання втрати живлення та керування конденсаторами резервного живлення, встановленими в SSD-накопичувачі. Апаратний захист від збоїв живлення контролює вхідне живлення SSD-накопичувача, забезпечуючи в разі раптової втрати живлення тимчасове живлення схем SSD-накопичувача з використанням танталових конденсаторів, щоб завершити всі внутрішні та зовнішні операції запису до відключення SSD-накопичувача. Схема захисту від збоїв живлення зазвичай потрібна для сфер застосування, де відновлення даних неможливе.

Захист від збоїв живлення також може бути реалізований через прошивку SSD-накопичувача за допомогою частого перенесення даних з області кеша SSD-контролера (наприклад, його таблиці FTranslation Layer) у NAND флеш-пам’ять — це не гарантує, що дані не будуть втрачені після раптового відключення живлення, але дає змогу мінімізувати наслідки таких відключень. Вбудований захист від збою живлення також гарантує, що SSD-накопичувач не вийде з ладу після небезпечного відключення.

У багатьох ситуаціях застосування програмно-конфігурованого сховища або кластеризації серверів може дещо зменшити потребу в апаратному захисті від збою живлення, оскільки всі дані копіюються в окремий і незалежний накопичувач на іншому сервері або серверах. ЦОД хмарного рівня зазвичай замість захисту від збою живлення використовують програмно-конфігуровані сховища. По суті, це RAID-сервери для зберігання резервних копій даних.

Витривалість

Усі типи NAND флеш-пам’яті, на яких побудовані флеш-накопичувачі, поступово втрачають здатність зберігати біти даних із кожним циклом програмування-стирання (P/E) осередку NAND флеш-пам’яті, досягаючи стану, коли надійне зберігання даних стає неможливим; після цього пошкоджений або дефектний блок видаляється з пулу придатних для зберігання даних блоків, а логічна адреса блоку (LBA) отримує прив'зку до нової фізичної адреси в масиві NAND флеш-пам'яті. Новий блок накопичувача замінює дефектний завдяки наявності пулу запасних блоків (Spares Block), який є частиною області резервування SSD-накопичувача.

Оскільки програмування-стирання даних осередку відбувається постійно, показник BER лінійно зростає; з цієї причини в контролері індустріального SSD-накопичувача має бути реалізований комплексний набір методів контролю для забезпечення можливості надійного зберігання даних в осередку протягом очікуваного строку служби SSD-накопичувача.{{Footnote.N52083}}

Кількість допустимих циклів програмування-стирання (P/E) конкретної NAND флеш-пам’яті може суттєво відрізнятися залежно від літографічного процесу виробництва й типу флеш-пам’яті.

Тип NAND флеш-пам’ятіTLCMLCSLC
Архітектура 3 біти на осередок 2 біти на осередок 1 біт на осередок
Ємність Найбільша ємність Велика ємність Найменша ємність
Витривалість (P/E) Найнижча витривалість Середня витривалість Висока витривалість
Вартість $ $$ $$$$
Приблизний рівень бітових помилок NAND (BER) 10^4 10^7 10^9

Таблиця 2. Типи NAND флеш-пам’яті {{Footnote.N52084}}{{Footnote.N52085}}

lндустіральні SSD-накопичувачі також відрізняються від клієнтських SSD-накопичувачів за режимом роботи. lндустіральні SSD-накопичувачі повинні витримувати інтенсивні операції читання й запису в умовах, типових для сервера ЦОД, забезпечуючи доступ до даних протягом 24 годин на добу, в той час як клієнтськіSSD-накопичувачі зазвичай працюють протягом 8 годин на добу. lндустіральні SSD-накопичувачі працюють у режимі 24x7, тоді як клієнтські SSD-накопичувачі працюють у режимі 20/80 (20% часу активні, 80% в режимі очікування або сну під час роботи комп’ютера).

Розрахувати коефіцієнт витривалості під час запису для будь-якої сфери застосування або SSD-накопичувача досить складно, тому комітет JEDEC також запропонував метрику вимірювання витривалості за допомогою показника «Обсяг записаних даних в терабайтах» (TBW), що означає обсяг даних, наданих хостом, які можна записати на SSD-накопичувач до того моменту, як NAND флеш-пам’ять цього накопичувача стане ненадійною, а накопичувач потребуватиме заміни.

Завдяки запропонованим JEDEC методам тестування (JESD218A) та робочим навантаженням для індустріальних накопичувачів (JESD219) набагато зручніше інтерпретувати розрахунки витривалості SSD-накопичувача за допомогою показника TBW, а також розрахувати зрозуміліший показник витривалості для будь-якого ЦОД.

Як зазначається в документах JESD218 і JESD219, на робочі навантаження для різних класів застосування також може впливати коефіцієнт посилення обсягу запису (Write Amplification Factor, WAF), який описує перевищення фактичну кількість записаних в флеш-пам'ять даних, над тими, що надав на запис хост. Це може призвести до некерованого зношування флеш-пам’яті NAND, підвищення BER NAND флеш-пам’яті внаслідок надмірних операцій запису протягом тривалого часу та зниження продуктивності через велику кількість несправних сторінок на SSD-накопичувачі.

Хоча TBW є безперечно важливим елементом обговорення відмінностей індустріальних та клієнтських SSD-накопичувачів, цей показник розглядається лише як модель прогнозування витривалості на рівні флеш-пам’яті, а для прогнозування витривалості та надійності на рівні всього пристрою, слід розглянути показник «Середнє напрацювання на відмову» (MTBF), модель якого спирається на надійність його компонентів. Від компонентів індустріальних SSD-накопичувачів очікується триваліший строк служби та ефективніше керування NAND флеш-пам’яттю протягом очікуваного строку служби SSD-накопичувача. Усі lндустіральні SSD-накопичувачі повинні мати показник MTBFна рівні щонайменше одного мільйона годин. Компанія Kingston дуже скромно оцінює свої SSD-накопичувачі, тому нерідко можна зустріти більш високі показники MTBF; важливо розуміти, що 1 мільйона годин більш ніж достатньо для індустріальних SSD-накопичувачів.

Система контролю та звітності S.M.A.R.T., що застосовується в індустріальних SSD-накопичувачах, з легкістю визначає очікуваний строк служби пристрою до моменту виходу з ладу на основі коефіцієнта посилення обсягу запису (WAF) та рівня зносу. Зазвичай також підтримуються попередження про події, що передують збою, як-от втрата живлення, бітові помилки, що виникають у фізичному інтерфейсі, або нерівномірний розподіл зносу. З вебсайту Kingston можна завантажити утиліту Kingston SSD Manager для перегляду стану накопичувача.

Клієнтські SSD-накопичувачі мають лише мінімальні функції S.M.A.R.T. для контролю SSD-накопичувача під час стандартного використання або після збою.

Залежно від класу застосування та ємності SSD-накопичувача, резервна ємність NAND флеш-пам’яті може бути збільшена для забезпечення дрдаткового резервування (OP). Резервна ємність прихована від користувача та операційної системи; вона може використовуватись як тимчасовий буфер запису для підвищення середньої продуктивності, або для заміни дефектних осередків флеш-пам’яті протягом очікуваного строку служби SSD-накопичувача для підвищення його надійності та витривалості (з великою кількістю запасних блоків).

Висновок

Між індустріальними та клієнтськими SSD-накопичувачами існують значні відмінності: від допустимої кількості циклів програмування-стирання NAND флеш-пам’яті до комплексних методів контролю з урахуванням робочих навантажень для різних класів застосування.

Розуміння цих відмінностей, які впливають на продуктивність, надійність і витривалість, може сприяти мінімізації ризиків незапланованого простою в критично важливих індустріальних середовищах. Для отримання додаткової інформації зверніться до представника Kingston або скористайтеся послугами служби «Запитай експерта» або чатом служби технічної підтримки на сайті Kingston.com.

Пов’язані публікації

Блог