Ako vyberať SSD pre firemné použitie?

Firmy a dátové centrá vymieňajú harddisky vo svojich úložných riešeniach za SSD disky. Ako sa líšia od diskov pre koncového používateľa? SSD disky ovládli naše počítače. Drvivá väčšina PC a takmer všetky notebooky majú SSD ako svoje hlavné dátové úložisko. Ultrarýchle SSD oceňujú nielen hráči, ale aj bežní používatelia, ktorým sa výrazne rýchlejšie spúšťa systém […]

Marek
28. septembra 2020

Firmy a dátové centrá vymieňajú harddisky vo svojich úložných riešeniach za SSD disky. Ako sa líšia od diskov pre koncového používateľa?

SSD disky ovládli naše počítače. Drvivá väčšina PC a takmer všetky notebooky majú SSD ako svoje hlavné dátové úložisko. Ultrarýchle SSD oceňujú nielen hráči, ale aj bežní používatelia, ktorým sa výrazne rýchlejšie spúšťa systém a aplikácie. SSD sa stále častejšie objavujú už aj v dátových centrách alebo serverových riešeniach.

„Exponenciálne rastie potreba výkonných a odolných SSD pro servery a dátové centra. Väčšina toho, čo sa riešila osobne sa dnes rieši virtuálne, čo samozrejme dramaticky zvyšuje toky dát. Zároveň sú SSD a operačné pamäte komponentmi, ktoré dokážu jednoducho a veľmi efektívne transformovať rýchlosť a celkový výkon na vyššiu úroveň,“ vysvetľuje Marcin Gaczor, zástupca spoločnosti Kingston pro Českú republiku a Slovensko.

Objem dát, ktoré spoločnosť generuje, z roka na rok rastie geometrickým radom. „Nemyslím si, že ide len o výkyv. Zvýšený dopyt pretrvá aj v priebehu nasledujúcich minimálne niekoľkých rokov. Nesmieme totiž zabudnúť ani na prípravu na budovanie 5G sietí. Aj tá bude viesť k zvyšovaniu dopytu, pretože dáta v 5G sieti sú ultra rýchle. Aby sme výhody 5G vôbec mohli využili, budú potrebné nové dátové centrá alebo značné navýšenie lokálnych kapacít,“ dodáva Marcin Gaczor.

S rastúcim počtom podnikových dátových centier sa zvyšuje aj dopyt na stále vyššiu dátovú priepustnosť a nízku latenciu operácií. Tu však už tradičné pevné disky (HDD) narážajú na svoje limity a preto sa hľadajú modernejšie účinnejšie úložné riešenia, ktoré by zvládli efektívnejšie a rýchlejšie pracovať s dátami, vedeli by zvýšiť spoľahlivosť dátových centier a zároveň znížiť aj prevádzkové náklady (OpEx = Operating Expense). A práve to je veľký priestor pre využitie SSD diskov.

Nie je SSD, ako SSD

Disky SSD sú vyrábané tak, aby ich bolo možné ľahko nasadiť ako náhradu alebo doplnok k pevným diskom založeným na rotačných magnetických platniach (HDD). K dispozícii sú v mnohých formách, vrátane tradičných 2,5″. Podľa typu konkrétneho modelu využívajú komunikačné protokoly/rozhrania Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) a v poslednej dobe aj PCIe na prenos dát do a z centrálnej procesorovej jednotky (CPU) servera. Ich ľahká nasaditeľnosť však negarantuje, že všetky SSD disky budú z dlhodobého hľadiska vhodné pre podnikové aplikácie.

„Podnikové SSD disky sú postavené úplne inak, ako bežné SSD disky pre pracovné stanice alebo notebooky,“ vysvetľuje Marcin Gaczor zo spoločnosti Kingston.

U serverových SSD sa počíta s inou pracovnou záťažou aj s inými požiadavkami na konštrukciu diskov. Disky v serveroch a dátových centrách už sú pripravené na oveľa vyššiu záťaž, pretože tu nie je výnimkou stopercentný cyklus v priebehu 24 hodín, sedem dní v týždni počas celého roka.

A samozrejme rozdiely sú aj v konštrukcii medzi jednotlivými modelmi – u SSD aj u pamätí NAND, takže výber správneho úložného zariadenia SSD pre podnikové dátové centrum môže byť dlhým a náročným procesom učenia a kvalifikovania množstva rôznych dodávateľov a typov produktov SSD.

„Pri výbere nesprávneho SSD disku sa môžu zdanlivo výhodné počiatočne náklady a očakávaný vyšší výkon často veľmi rýchlo prejaviť ako veľmi nevhodná investícia, najmä keď sa SSD disky predčasne opotrebujú z dôvodu nadmerného zápisu, dosiahnu oveľa nižší trvalý výkon zápisu počas ich očakávanej životnosti alebo zavedú ďalšiu latenciu do dátového úložiska a teda vyžadujú skorú výmenu celého poľa. Takýto disk treba potom meniť častejšie,“ vysvetľuje Gaczor.

Podnikové a klientské disky SSD odlišujú najmä tri hlavné vlastnosti – výkon, rentabilita a výdrž. Práve na ne by ste sa pri rozhodovaní o výbere diskov pre podnikové úložisko alebo dátové polia mali sústrediť ako na prioritu.

Výkon

SSD disky môžu poskytovať neuveriteľne vysoký výkon čítania a zápisu pre sekvenčný aj náhodný prístup k uloženým dátam pre procesor vďaka využitiu viackanálovej architektúry a paralelného prístupu z radiča SSD k čipom NAND Flash.

Pri typickom scenári dátového centra, ktoré zahŕňa spracovanie miliónov bajtov náhodných podnikových údajov, vrátane spolupráce na technických výkresoch CAD, seizmických údajov na analýzu (napr. BIG DATA) alebo prístupov k celosvetovým údajom o zákazníkoch pre bankové transakcie (napr. OLTP, Online Transactional Processing), musia byť pamäťové zariadenia prístupné s najmenšou možnou latenciou a musia obslúžiť veľký počet klientov, ktorí potrebujú prístup k rovnakej dátovej položke súčasne bez toho, aby sa spomalila doba odozvy. Používateľská skúsenosť je založená na nízkej latencii, čo zvyšuje produktivitu používateľa.

Komplexné úložné polia, ktoré používajú SSD disky (napr. Network Attached Storage, Direct Attached Storage alebo Storage Area Network), bývajú nepriaznivo ovplyvnené nesúladným výkonom a môžu spôsobiť zmätok v latencii úložného poľa, trvalom výkone a v konečnom dôsledku aj kvalite služieb, ako ich vnímajú samotní používatelia.

Na rozdiel od klientských SSD diskov sú preto SSD disky triedy Enterprise optimalizované nielen na špičkový výkon v prvých sekundách prístupu, ale vďaka použitiu väčšej nadmerne zabezpečenej oblasti (OP) ponúkajú aj vyšší trvalý výkon v ustálenom stave po dlhší čas. Viac informácií o konkrétnych diskoch nájdete na webových stránkach spoločnosti Kingston v časti Enterprise SSD.

Rentabilita

S paměťmi NAND Flash je neoddělitelně spojeno několik problémů: konečná životnost, jelikož buňky NAND Flash se opotřebovávají při opakovaném zápisu, a úroveň výskytu přirozených chyb. Během výrobního procesu se testuje každý výřez NAND Flash ze silikónových destiček a ten se vyznačuje určitou mírou bitové chybovosti (BER nebo RBER).

S pamäťami NAND Flash je spojených niekoľko inherentných problémov. Dva najdôležitejšie sú konečná dĺžka životnosti, pretože bunky NAND Flash sa opotrebúvajú pri opakovaných zápisoch, a prirodzene sa vyskytujúca chybovosť. Počas výrobného procesu pre NAND Flash sa testuje každý výrez zo silikónových dosiek a ten sa označuje surovou bitovou chybovosťou (BER alebo RBER).

BER definuje rýchlosť, s akou sa prirodzene vyskytujúce sa bitové chyby v NAND Flash vyskytujú bez kódu na korekciu chýb (ECC) a ktorú radič SSD koriguje pomocou Advanced ECC (zvyčajne sa nazýva aj chyba BCH ECC, Strong ECC alebo LDPC) bez narušenia prístupu používateľa alebo systému.

Schopnosť SSD radiča opraviť tieto bitové chyby možno interpretovať pomocou Uncorrectable Bit Error Ratio (UBER). Ako je definované a štandardizované asociáciou priemyselných štandardov JEDEC z roku 2010, podniková trieda sa líši v mnohých ohľadoch od klientských SSD diskov v ich schopnosti podporovať väčšie pracovné zaťaženie pri zápise, extrémnejšie podmienky prostredia a zotavenie z vyššieho BER.

Pri použití požiadavky UBER navrhovanej JEDEC pre podnikové verzus klientské SSD sa očakáva, že u SSD triedy Enterprise sa vyskytne iba 1 neopraviteľná bitová chyba v pomere 1 bitová chyba na každých 10 kvadriliónov bitov (~ 1,11 petabajtov). Pre porovnanie, u klientských SSD je to 1 bitová chyba na každý spracovaný 1 kvadrilión bitov (~ 0,11 petabajtov).

Enterprise SSD disky Kingston majú aj ďalšie technológie, ktoré umožnia obnovu poškodených blokov dát pomocou paritných dát uložených v iných NAND matriciach (podobne ako disky RAID, to umožňuje obnovu konkrétnych blokov, ktoré je možné prestavať s uloženými paritnými dátami v iných blokoch).

V rámci komplexnej schémy vnútornej ochrany sa na obnovu dátových blokov implementujú aj periodické vytvárania kontrolných bodov, Cyclic Redundancy Check (CRC) a oprava ECC chýb, ktoré zaručujú integritu údajov od hostiteľa a späť k hostiteľovi. End-to-end ochrana dát znamená, že dáta prijaté od hostiteľa sa kontrolujú na integritu počas ich ukladania do internej medzipamäte SSD a pri zápise alebo spätnom čítaní z oblastí úložiska NAND.

Okrem ochrany proti bitovým chybám, môžu SSD disky obsahovať aj fyzické obvody na detekciu straty energie, ktoré spravujú kondenzátory napájania priamo v SSD diskoch. Podpora výpadku napájania v hardvéri monitoruje prichádzajúce napájanie do jednotky SSD a počas prekvapivej straty napájania poskytuje dočasné napájanie obvodov SSD pomocou tantalových kondenzátorov na dokončenie akýchkoľvek interných alebo externých zápisov pred vypnutím SSD diskov. Obvody na ochranu proti výpadkom napájania sa zvyčajne vyžadujú pre aplikácie, pri ktorých nie je možné obnoviť stratu dát.

„To je dôvod, prečo u väčšiny Enterprise SSD diskov od Kingstonu nájdeme technológiu On-board power loss protection (PLP) práve s využitím kvalitných tantalových kondenzátorov,“ dopĺňa Marcin Gaczor.

Ochrana proti výpadku napájania implementovaná vo firmvéri SSD nezaručuje, že počas straty energie nedôjde k strate dát, ale sa snaží sa minimalizovať dopad nebezpečných výpadkov energie.

Použitie softvérovo definovaného úložiska alebo klastrovania serverov môže znížiť riziko v prípade zlyhania napájania hardvéru, pretože akékoľvek dáta sa replikujú na samostatné a nezávislé úložné zariadenie na inom serveri alebo serveroch. Dátové centrá však často upúšťajú od podpory výpadkov napájania pomocou softvérovo definovaného úložiska na serveroch RAID, aby nemuseli ukladať nadbytočné kópie rovnakých dát.

Výdrž

Celá pamäť NAND Flash obsiahnutá v úložných zariadeniach Flash sa postupne zhoršuje v schopnosti spoľahlivo ukladať bitové dáta. S každým zápisom alebo mazaním (Program/Erase) sa skracuje životný cyklus pamäťovej bunky NAND Flash, až kým bloky NAND Flash už nebudú vedieť spoľahlivo ukladať dáta. V tom okamihu sa degradovaný alebo poškodený blok odstráni z používateľsky adresovateľnej úložnej oblasti a adresa logického bloku (LBA) sa presunie na novú fyzickú adresu v úložnom poli NAND Flash. Nový úložný blok nahradí zlý blok pomocou fondu náhradných blokov, ktorý je súčasťou úložiska Over Provisioned (OP) na SSD.

Pretože je bunka neustále zapisovaná alebo mazaná, zvyšuje sa BER aj lineárne, a preto musí byť na podnikovom radiči SSD implementovaná komplexná sada manažérskych techník, aby bolo možné spravovať schopnosť bunky spoľahlivo ukladať dáta počas predpokladanej životnosti SSD. Výdrž počtu P/E cyklov danej pamäte NAND Flash sa môže podstatne líšiť v závislosti od aktuálneho procesu výroby litografie a typu vyrobeného NAND Flash.

Enterprise SSD sa od klientských SSD líšia v rámci ich pracovného cyklu. Podniková jednotka SSD musí byť schopná odolať veľkej aktivite čítania alebo zápisu v scenároch typických pre server dátového centra s prístupom k dátam 24/7, zatiaľ čo bežná klientská jednotka SSD je zvyčajne v prevádzke iba 8 hodín denne a s pracovným cyklom 20/80 (20% aktívneho času, 80% v pohotovostnom režime alebo režime spánku pri používaní počítača).

Pochopenie životnosti a výdrže SSD disku môže byť zložité a preto výbor JEDEC navrhol ako jednotnú metriku merania životnosti pomocou hodnoty Total Bytes Written (TBW) na označenie množstva dát zapísaných počas životného cyklu na disk SSD, pretože keď sa NAND Flash v SSD dostane na hranicu svojej životnosti, disk sa stáva nespoľahlivým médiom a mal by byť okamžite nahradený.

TBW je samozrejme je iba model predikcie životnosti a spoľahlivosti komponentov použitých v zariadení za určitých podmienok. Všetky podnikové disky SSD by mali mať minimálne jeden milión hodín MTBF (Mean Time Between Failure), čo predstavuje viac ako 114 rokov! Kingston túto hranicu u SSD reálne skôr prekračuje, aj keď je dôležité si uvedomiť, že 1 milión hodín je viac ako dostatočný východiskový bod pre podnikové disky.

Monitorovanie a hlásenie SMART na diskoch SSD umožňujú ľahký prehľad životnosti zariadení pred zlyhaním na základe aktuálneho faktora zosilnenia zápisu (WAF, Write Amplication Factor) a úrovne opotrebenia. Často sú podporované aj prediktívne varovania pred zlyhaním pri poruchových udalostiach, ako je strata napájania, bitové chyby vyskytujúce sa z fyzického rozhrania alebo nerovnomerné rozloženie opotrebenia. Bežné SSD môžu obsahovať iba minimálny výstup SMART na sledovanie disku SSD počas štandardného používania, takže nie je možné získať až tak podrobné dáta o ich životaschopnosti.

V závislosti na triede a kapacite SSD možno zvýšenú rezervnú kapacitu pamäte NAND Flash prideliť aj ako nadmerne rezervovanú (OP, Overprovisioning) rezervnú kapacitu. Kapacita OP je skrytá pred prístupom používateľa a operačného systému, no využíva sa ako vyrovnávacia pamäť na zápis pre vyšší trvalý výkon a ako náhrada za chybné pamäťové bunky počas doby životnosti disku SSD a aby sa zvýšila spoľahlivosť a výdrž SSD disku (s väčším počtom náhradných blokov).

Enterprise versus konečný používateľ

Medzi podnikovými a klientskými SSD existujú ďalšie výrazné rozdiely, počnúc spôsobom ukladania a mazania dát v pamäti NAND Flash až po zložité techniky správy vyhovujúce rôznym pracovným zaťaženiam aplikačných tried.

Pochopenie týchto rozdielov v aplikačných triedach, pokiaľ ide o výkon, spoľahlivosť a vytrvalosť, môže byť efektívnym nástrojom pri minimalizácii a riadení rizika prerušenia prevádzky v náročnom a často kritickom podnikovom prostredí.

Nie je teda možné porovnávať Enterprise a Client SSD len podľa kapacity a ceny. Ide o odlišný systém práce s dátami, výkonom, spoľahlivosťou a životnosťou. Najme u dátových centier musia výrobcovia minimalizovať a riadiť riziko prerušenia prevádzky a to v náročnom, často extrémnom podnikovom prostredí, ktorého požiadavky neustále rastú.

Vybrať správne SSD môže byť často komplikované nielen u veľkých podnikových riešení, ale aj menších serveroch. Náročnejšie inštalácie možno riešiť i priamo s obchodným zastúpením, no Kingston ponúka aj službu Spýtajte sa experta (Ask an expert), kde môžete získať technické konzultácie a odporúčania pre najvhodnejší typ na konkrétnu situáciu a konfiguráciu.