Флэш начинает и выигрывает: будущее SSD18.04.2018 17:18

Будущее принадлежит флэш-накопителям (SSD): они способны обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных, чем традиционные жесткие диски (HDD), и при этом становятся сравнительно недорогими. Широкое внедрение SSD может привести к существенным изменениям в архитектуре ЦОД и вычислительных систем.

Серверы и системы хранения с флэш-накопителями SSD позволяют решать самые ресурсоемкие задачи, такие как поиск в крупных базах данных, оперативная обработка транзакций, бизнес-аналитика, обработка больших данных и крупномасштабная виртуализация. SSD имеют все шансы заметно потеснить HDD в серверах и системах хранения данных, становятся ключевым компонентом гиперконвергентных систем. К 2020 году может появиться флэш-накопитель емкостью 40 Тбайт, практически решена проблема долговечности SSD.

Стирание и запись во флэш-память NAND приводит к ее постепенной деградации на уровне отдельных ячеек, но если потребительские накопители NAND рассчитаны на 3000–10000 операций записи, то современные флэш-накопители корпоративного класса выдерживают до 100 000 циклов.

Флэш-память помогает эффективнее работать с данными и хранить их. SSD все чаще используются для хранения не только «горячих», но и «холодных» данных.

Из истории жестких дисков

Жесткие диски существуют уже более 60 лет с тех пор, как IBM впервые представила их в 1956 году. Первый диск был огромного размера и мог хранить всего 3,75 мегабайта, а стоил 300 000 долларов в пересчете по сегодняшнему курсу.

IBM 350 Disk Storage System образца 1956 года

СХД 350 Disk Storage System была основным компонентом системы IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Она состояла из 40 пластин и двойной головки чтения/записи, которая перемещалась вверх и вниз по стопке магнитных дисков.

С тех пор основной механизм жесткого диска, его конструкция остаются неизменными, хотя и претерпели существенную доработку. HDD использует принцип намагничивания для хранения данных на вращающемся диске. Головка чтения/записи «плавает» над магнитной поверхностью диска. Чем выше скорость вращения, тем быстрее может работать жесткий диск. Типичные бытовые HDD сегодня работают на скорости 5400 или 7200 об/мин, а у некоторых серверных дисков скорость еще выше — 10–15К об/мин.

Компоненты HDD

Пластины HDD покрыты магниточувствительным слоем, и данные записываются, когда магнитная головка перемещается над поверхностью вращающегося диска. Она быстро инвертирует намагниченность магнитных доменов, меняя ее на 1 или 0 в двоичном коде. Основное и, пожалуй, единственное на сегодня преимущество жесткого диска том, что он обеспечивает недорогое хранение большого объема данных — 10–12 Тбайт на диск.

Плотность записи и скорость вращения HDD продолжают расти. И если сравнить цены обычных жестких дисков и SSD, то у твердотельных накопителей стоимость хранения единицы данных примерно в 3–5 раз выше. Поэтому обычные жесткие диски остаются наиболее экономичным способом хранения. По данным IDC, сегодня на них приходится более 90% поставок накопителей корпоративного класса, однако к 2025 году SSD составят почти 20% от объема поставок.

Прогноз IDC: как будет меняться соотношение HDD и SSD в поставках корпоративных накопителей.

Каковы оптимальные сценарии использования жестких дисков?

Дисковые массивы (NAS, RAID и т. д.), где требуется большая емкость.
Настольные компьютеры, когда приоритетной является низкая стоимость.
Хранение медиафайлов (фото, видео, аудио).
Хранение резервных копий и архивных данных.

Практически во всех остальных задачах преимущество — за флэш-памятью.

Что такое SSD?

На самом деле SSD также имеют давнюю историю. Первое полупроводниковое запоминающее устройство, совместимое с интерфейсом жесткого диска, появилось в далеком 1978 году. Это StorageTek 4305.

Storage Technology 4305 — SSD емкостью 45 Мбайт образца 1978 года.

Устройство StorageTek было предназначено для мейнфреймов IBM. STC 4305 был в семь раз быстрее, чем популярная в то время система на жестких дисках IBM 2305. Этот шкаф стоил 400 000 долларов и обладал пропускной способностью до 1,5 Мбайт/с.

В современных SSD применяется энергонезависимая память NAND (от булевого оператора «NOT AND»). Флэш-память хранит данные в отдельных ячейках памяти на основе транзисторов. Эта полупроводниковая память хранит данные даже при отсутствии питания, как и HDD.

Накопитель Samsung SSD 850 Pro, объединивший новый контроллер MJX и 64-слойную MLC 3D V-NAND, — один из лучших продуктов в сегменте SATA SSD.

По сравнению с жестким диском накопители SSD демонстрируют более высокую скорость передачи данных и плотность их хранения, лучшую надежность, значительно меньшую задержку и время доступа. Для большинства пользователей в первую очередь важна скорость SSD, с которой они могут читать и записывать данные.

Поскольку SSD не имеют движущихся частей, они могут работать со скоростями, значительно превышающими скорость работы обычного жесткого диска. И фрагментация данных — для SSD не проблема. В отличие от HDD, на скорость работы SSD она не влияет. От постоянного использования и SSD, и жесткие диски в конечном итоге изнашиваются, несмотря на разные физические методы записи. В SSD есть механизмы для минимизации этого эффекта, такие как команда TRIM. Во флэш-память данные записываются блоками, что требует предварительного стирания существующих данных блока. Если имеется пустой блок, операция записи выполняется намного быстрее. Команда TRIM, которая должна поддерживаться как в ОС, так и в SSD, позволяет операционной системе сообщать накопителю, какие блоки больше не нужны. Это позволяет ему заранее стирать блоки данных, чтобы сделать пустые блоки доступными для последующей записи.

Печатная плата SSD.

В целом, SSD считаются гораздо более надежными, чем жесткие диски из-за отсутствия механических деталей. Движущиеся механизмы HDD не только изнашиваются со временем, но и уязвимы в случае механического воздействия. Если уронить ноутбук с жестким диском, то высока вероятность потери данных и даже фатальных физических повреждений, которые могут полностью вывести жесткий диск из строя. У SSD нет движущихся частей, поэтому они способны выдержать суровые условия эксплуатации портативных устройств.

Каковы наилучшие варианты применения для SSD?

Ноутбуки и другие портативные устройства, где желательны такие характеристики как малый вес, плотная плотность хранения, устойчивость к ударам и общая прочность.
Загрузочные диски, содержащие операционную систему и приложения, что ускорит загрузку и запуск приложений.
Хранение редактируемых рабочих файлов.
Кэш-память.
Хранилища серверов баз данных.
Апгрейд старой системы. Замена загрузочного диска на SSD.

SSD vs HDD

Рассмотрим основные различия между жесткими дисками и твердотельными накопителями:

	HDD	SSD
Стоимость	0,03 долл./Гбайт (для моделей на 4 Тбайта)	0,20- 0,30 долл./Гбайт (для моделей емкостью 1 Тбайт)
Емкость	Обычно 0,5–2 Тбайта для ноутбуков, до 10 Тбайт для ПК	Обычно е более 1 Тбайта для ноутбуков, до 4 Тбайт для ПК
Среднее время загрузки ОС	30–40 сек	8–13 сек
Шум	Шум от перемещения штанги с головками и вращения диска	Нет движущихся частей — нет шума
Вибрация	Вращение диска иногда сопровождается вибрацией	Нет движущихся частей — нет вибрации
Тепловыделение	HDD не выделяет много тепла, но греется значительно больше, чем SSD без движущихся частей, потребляет больше электроэнергии	Низкое энергопотребление и отсутствие движущихся частей ведут к малому тепловыделению
Коэффициент наработки на отказ (MTBF)	1,5 млн. часов	2 млн. Часов
Скорость записи при копировании файлов	50–120 Мбайт/с	В последних моделях — 200–550 Мбайт/с
Шифрование	Некоторые модели поддерживают полное шифрование — Full Disk Encryption (FDE)	Некоторые модели поддерживают полное шифрование
Скорость открытия файлов	Медленнее SSD	До 30% быстрее HDD
Влияние магнитных полей	Могут стереть данные	На SSD магнитные поля не влияют
Прочность	Уязвимость к физическим ударам	Устойчивость к ударам и вибрации

Можно также сравнить «типовой» SSD и HDD корпоративного класса:

Параметр	SSD	HDD SAS 10–15 RPM
Время доступа, мсек	0,1	5,5–8
Производительность при произвольном доступе (IOPS)	6000	400
Надежность (коэф. отказов)	0,5%	2–5%
Энергопотребление, Вт	2–5	6–15
Энергопотребление ЦП (среднее время ожидания ввода-вывода)	1%	7%
Резервное копирование (часов)	6	20–24

Важную роль играют интерфейсы накопителей:

Интерфейс	Описание
SATA (Serial Advanced Technology Attachment)	Общий интерфейс, обеспечивающий обмен данными с HDD и SSD. Накопители SATA SSD отлично подходят для бытового применения: они, как правило, дешевле, но работают на более низкой скорости и имеют более низкий ресурс записи.
SAS (Serial Attached SCSI)	Накопители SAS часто применяются RAID-массивах, серверах и в центрах обработки данных. Этот тип интерфейса также подходит для HDD и SSD. SAS обладает большей производительностью в IOPS по сравнению с SATA, то есть можно быстрее читать и записывать данные. Это делает SAS оптимальным выбором для систем, требующих высокой производительности. SAS поддерживает резервирование и специально разработан для сред с постоянным использованием накопителя.
PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)	Высокопроизводительный последовательный шинный интерфейс, который поддерживает значительно более высокие скорости передачи данных по сравнению с интерфейсами SATA или SAS, так как для передачи данных доступно больше каналов.
NVMe (Non-Volatile Memory Express)	В отличие от SAS и SATA, протокол NVMe изначально разрабатывался именно для твердотельных накопителей. Он используется для высокоскоростного подключения флэш-накопителя через шину PCI Express.
NVMe over Fabric, включая NVMe over Ethernet	Позволяет подключить серверы к системам хранения с малой задержкой и тем самым претендует на место Fibre Channel.

Многие ведущие производители накопителей используют PCIe в качестве стандарта для новых бытовых и корпоративного хранилищ данных и некоторых периферийных устройств. Интерфейс PCIe применяется в центрах обработки данных, в RAID-системах, повышая общую производительность и поддерживая новые и более емкие жесткие диски.

Интерфейсы SAS и SATA разрабатывались для HDD, поэтому они не оптимальны для подключения флэш-накопителей. Предпочтительным интерфейсом последних становится комбинация шины PCIe c NVMe. PCIe реализует физический интерфейс, а NVMe — протокол управления флэш-памятью.
SATA заметно ограничивает пропускную способность и добавляет дополнительные задержки, поэтому в современных продуктах вендоры переходят на NVMe и постепенно отказываются от дальнейшего развития линеек SATA. Однако накопители SATA пока что имеют большую емкость и конкурируют с HDD в задачах, где требуется хранить большие объемы данных.

IDC прогнозирует заметное снижение доли флэш-накопителей SATA в единицах продукции.

NVMe обеспечивает высокую производительность флэш-накопителей внутри серверов. Что касается внешних СХД, то преодолеть узкие места в сети хранения помогает NVMe over Fabric — передача команд NVMe через сети Ethernet, Infiniband и Fibre Channel.

Технология трехмерной флэш-памяти

Технология трехмерной флэш-памяти 3D NAND (V-NAND) позволяет преодолеть ограничения «плоской» компоновки за счет размещения ячеек одна над другой. Кроме того, вместо традиционных МОП-транзисторов с плавающим затвором в ней используется флэш-память с захватом заряда (Charge Trap Flash, CTF).

В 2015 году компаниями Intel и Micron была анонсирована память 3D XPoint. Она обладает большей производительностью и долговечностью, чем NAND, и занимает промежуточную позицию между DRAM и NAND. Как ожидается, этот тип памяти с фазовым переходом (PCM) позволит сократить расходы, заменив часть оперативной памяти, а также увеличив производительность твердотельных накопителей NAND.

Технология 3D XPoint обеспечивает до 10 раз большую производительность по сравнению с «обычной» NAND и до 1000 раз долговечнее — выдерживает более миллиона циклов записи. Малая задержка 3D XPoint (в тысячу раз меньше, чем у накопителей NAND) позволяет применять ее для задач с высокой нагрузкой ввода-вывода, например, в системах обработки транзакций. Последние версии 3D NAND содержат до 72 слоев памяти, и производители уже проектируют продукты с более 96 слоями.

Комбинирование разных видов накопителей и получаемая в результате задержка в миллисекундах (по данным Intel).

Кроме того, ожидается, что 3-битовые ячейки (TLC) NAND заменят на 4-битовые (QLC). Это позволит увеличить плотность памяти и снизить ее стоимость. В прошлом году компания Toshiba сообщила о создании флэш-памяти BiCS FLASH, способной хранить в одной ячейке четыре бита (QLC), что позволило увеличить емкость по сравнению с памятью TLC NAND. В такой микросхеме с объемной компоновкой насчитывается 64 слоя ячеек QLC NAND. 16 микросхем QLC 3D NAND в одном корпусе дают накопитель ёмкстью 1,5 Тбайта.

SSD+HDD

Применение SSD для «горячих» и HDD для «холодных» данных в сочетании с механизмами их автоматического перемещения по уровням хранения (тиринг) повышает эффективность инфраструктуры ИТ в ЦОД. Для ускорения доступа к данным можно использовать кэширование, что влияет на общую производительность системы. При большом числе накопителей применение SSD в дата-центре существенно снижает плату за электроэнергию.

Накопители SSD дополняют HDD и позволяют оптимизировать производительность/стоимость хранения при использовании алгоритмов автоматического размещения данных (источник: IBM). Справа показана нормализованная производительность, внизу — варианты размещения данных (от «все на HDD» до «все на SSD»).

SSD-хостинг

В условиях стремительного роста объемов данных хорошим выходом становятся облачные хранилища. Использование в них накопителей SSD позволяет провайдеру гарантировать SLA в IOPS.

Завоевывает популярность SSD-хостинг — виртуальный хостинг с использованием массива из твердотельных накопителей. VPS создаются на высокопроизводительных аппаратных RAID-10 массивах быстрых SSD.

На серверах хостинга обычно применяют SSD с высокой производительностью, функцией защиты данных и большим ресурсом перезаписи. Это позволяет в три раза увеличить скорость чтения/записи, чтение блоков по 512 Кбайт выполняется в 10, а блоков по 4 Кбайт — в 50 раз быстрее, производительность в IOPS возрастает в 400 раз больше. Максимальную скорость и производительность SSD показывают для хостинга интернет-магазинов и других сайтов, использующих базы данных.

Хостинг на SSD и HDD: скорость, производительность в IOPS, задержка.

Твердотельные диски заставляют веб-сайты «летать». Высокую скорость оценят как пользователи, так и поисковые системы. Последние учитывают параметры загрузки страниц в их рейтингах.

В ближайшие годы накопители HDD останутся самым экономичным решением для хранения данных. К 2020 году их емкость может вырасти в 10–20 раз. Но если прогресс в разработке SSD продолжится прежними темпами, то через несколько лет жестким дискам придется столкнуться с жесткой конкуренцией, особенно, если цены на SSD значительно снизятся.

Твердотельная память найдет место в центрах обработки данных. Рост объемов транзакций, облачные вычисления, аналитика больших данных и рабочие нагрузки следующего поколения потребуют более высокой производительности. SSD будут использоваться для хранения потоковых данных, пакетной обработки, для задач аналитики, систем управления базами данных и во многих других приложениях, вытесняя HDD.