Сравнение твердотельных накопителей (SSD) корпоративного и клиентского уровня

Щодня зростає кількість центрів обробки даних (ЦОД), які потребують високої швидкості передачі даних і низької затримки операцій. Оскільки застарілі жорсткі диски (HDD) призводять 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).

Вибір 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 однакові.

SSD-накопичувачі призначені для заміни або доповнення жорстких дисків (HDD) і випускаються в різних формфакторах, зокрема 2,5", з різними протоколами та інтерфейсами, такими, як Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) і найновіший інтерфейс NVMe PCIe, задіяними для обміну даними з центральним процесором (CPU) сервера.

Простота розгортання не гарантує, втім, 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 можуть передчасно зношуються через надмірне навантаження запису, їх швидкість запису може значно знизитися протягом очікуваного строку служби, або можуть збільшаться затримки в дисковому масиві, і це 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 накопичувач до сервера.

Продуктивність

Завдяки використанню багатоканальної архітектури та паралельному доступу контролера до чипів 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, наприклад, спільну роботу над технічними кресленнями в CAD, аналіз сейсмічних даних (тобто, Big Data) або доступ до даних клієнтів по всьому світу для обробки банківських транзакцій (обробка транзакцій у реальному часі), доступ до сховищ даних повинен здійснюватися з мінімальними затримками і може бути пов’язаний із 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. Помножте це на кількість співробітників у колективі, і ви побачите, як швидко можуть окупитися переваги низької затримки.

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 більшої області резервування (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».{{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 (комірки NAND флеш-пам’яті зношуються при багатократному запису даних) та рівень природних помилок.

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 природних бітових помилок NAND флеш-пам’яті без використання коду корекції помилок (ECC). SSD-контролер виправляє їх з використанням технології Advanced ECC (яку виробники контролерів зазвичай називають BCH ECC, Strong ECC або LDPC), і вони не впливають на доступ користувача або системи до даних.

Здатність SSD-контролера виправляти такі бітові помилки можна інтерпретувати коефіцієнтом 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»), індустріальні накопичувачі відрізняються від клієнтських за рядом параметрів, зокрема за здатністю підтримувати підвищені навантаження запису, більш екстремальні навколишні умови та виправлення більш високих рівнів BER. {{Footnote.N52081}}{{Footnote.N52082}}

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 виправлення 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 технологій виправлення блоків даних із використанням додаткових блоків, вбудованих в індустріальні SSD-накопичувачі Kingston, щоби гарантувати цілісність даних при обміні даними між хостом і флеш-пам’яттю також використовується внутрішня схема наскрізного захисту з періодичним створенням контрольних точок, циклічною перевіркою з надлишковістю (CRC) і корекцією помилок ECC. 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 із 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 SSD-накопичувача конденсаторами, що дозволяє завершити всі операції запису, як внутрішні, так і ініційовані ззовні, до відключення SSD-накопичувача. Схема захисту від втрати живлення (PLP) зазвичай потрібна для сфер застосування, де відновлення даних неможливе.

Захист від втрати живлення також може бути реалізований в прошивці SSD-накопичувача способом частого перенесення даних з області кеша SSD-контролера (наприклад, його таблиці Flash Translation Layer) у 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 втрати живлення також гарантує, що SSD-накопичувач не вийде з ладу після небезпечного відключення.

У багатьох ситуаціях застосування програмно-конфігурованих сховищ 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 на RAID-серверах 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 та стирання даних комірки 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 у комірці 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.

Індустріальні SSD-накопичувачі також відрізняються від клієнтських за режимом роботи. Індустріальні SSD-накопичувачі повинні витримувати інтенсивні операції читання й запису в типових сценаріях використання сервера ЦОД, що вимагає постійного доступу до даних 24 години на добу, сім днів на тиждень. А тепер порівняйте їх з клієнтськими SSD-накопичувачами, які зазвичай працюють 8 годин на добу протягом тижня.

Індустріальні SSD-накопичувачі розраховані на постійне цілодобове навантаження, тоді як клієнтські SSD працюють у режимі 20/80 (20% часу активні, 80% в режимі очікування або сну під час роботи комп’ютера).

Розрахувати ресурс запису для будь-якої сфери застосування або SSD-накопичувача досить складно, тому комітет JEDEC також запропонував метрику вимірювання витривалості «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 у вигляді TBW, наведені розробником, та екстраполювати їх на 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 (WAF), який означає перевищення фактичного обсягу запису в флеш-пам'ять над кількістю даних, які надав на запис хост. Це швидко призводить до некерованого зношування флеш-пам’яті, підвищення BER внаслідок надмірних операцій запису протягом тривалого часу та зниження продуктивності через велику кількість недійсних сторінок на SSD-накопичувачі.

Хоча TBW є безперечно важливим елементом обговорення відмінностей індустріальних і клієнтських SSD-накопичувачів, цей показник розглядається лише як модель прогнозування витривалості на рівні NAND флеш-пам’яті, а для прогнозування витривалості та надійності на рівні компонентів, що використовуються в пристрої, слід розглянути показник «Середнє напрацювання на відмову» (MTBF). Від компонентів індустріальних SSD-накопичувачів очікується триваліший строк служби та ефективніше керування NAND флеш-пам’яттю протягом очікуваного строку служби SSD-накопичувача. Усі індустріальні SSD-накопичувачі повинні мати показник MTBF на рівні щонайменше двох мільйонів годин, що становить понад 230 років! Компанія Kingston дуже консервативно оцінює свої SSD-накопичувачі, іноді можна зустріти і більш високі показники MTBF, але тут важливо розуміти, що 2 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, такі, як втрата живлення, бітові помилки, що виникають у фізичному інтерфейсі, або нерівномірний розподіл зносу. З вебсайту Kingston можна завантажити утиліту Kingston SSD Manager для контролю стану накопичувача.

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