наверх

Главная, «Журнал сетевых решений/LAN», № 11, 2010 6315 прочтений

Наступление SSD

В ряде случаев применение энергонезависимых полупроводниковых накопителей SSD позволяет оптимизировать затраты на хранение данных. По мнению экспертов, уже в ближайшие пару лет эти устройства вытеснят некоторые виды традиционных жестких дисков.

Сергей Орлов

При продолжающемся росте объемов данных заказчикам приходится оптимизировать их хранение, инвестируя средства в повышение эффективности использования инфраструктуры ИТ (см. Рисунок 1). В ряде случаев ускорить работу приложений или построить более экономичные, компактные и энергоэффективные СХД позволяет применение твердотельных накопителей. Нередко эти продукты позиционируются как решения для повышения производительности имеющихся серверов и систем хранения.

Рисунок 1. По прогнозам IDC, на российском рынке ИТ раньше всего к докризисным показателям вернутся СХД: этого можно ожидать уже к началу 2012 года.

Рисунок 2. Каждая микросхема NAND накопителя SSD является частью общего пула, адресное пространство которого обслуживает встроенный контроллер. Контроллер обеспечивает поддержку интерфейсов (SATA, PATA, SAS или FC).В настоящее время широкое распространение получили полупроводниковые накопители (Solid-State Drive, SSD), основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти (см. Рисунок 2). Последние появились относительно недавно и постепенно стали завоевывать рынок. Конкуренция на рынке микросхем привела к тому, что цена накопителей SSD NAND хотя и остается достаточно высокой, но все же снизилась до такого уровня, что их использование в продуктах широкого класса — от ноутбуков и смартфонов до старших моделей корпоративных СХД и серверов — становится рентабельным.

В ближайшие два года полупроводниковые накопители NAND займут немалую долю рынка, отвоевав ее у накопителей на магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD). Интенсивно развивают направление SSD компании Intel, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair, OCZ Technology, Toshiba. Уже доступны SSD емкостью до 1 Тбайта, однако чаще встречаются устройства емкостью 32–256 Гбайт. Со временем накопители SSD неизбежно получат очень широкое распространение и на корпоративном, и на потребительском рынке.

По прогнозам Research and Market, в 2013 году объем мирового рынка SSD превысит 43 млн штук, а эксперты Objective Analysis ожидают, что оборот рынка корпоративных SSD к 2015 году достигнет 4 млрд долларов (или 4 млн устройств), почти в 17 раз превысив показатели 2009 года. Эти заявления дополняются расчетами аналитиков iSuppli: по их мнению, к середине следующего года накопители SSD будут применяться в большинстве серверов. Факторами роста рынка станут снижение цен и стандартизация спецификаций изделий.

Однако скорого вытеснения HDD ждать не стоит. В бытовых устройствах (в частности, в ноутбуках) через четыре года встретить жесткий диск будет проблематично, но в серверном мире HDD, как считает Александр Зейников, региональный менеджер по продажам LSI в России, будут «жить» еще как минимум лет десять. Алексей Иванов, менеджер по развитию бизнеса Adaptec by PMC в России, более осторожен в прогнозах, полагая, что накопители SSD завоюют часть рынка потребительских товаров и, возможно, потеснят в некоторых сегментах HDD с интерфейсом SAS.

По мнению Вячеслава Фонарева, менеджера по продажам компании True System, конкуренция на рынке SSD не настолько сильна, чтобы привести к резким изменениям цены. Снижение цен будет постоянным и плавным с замещением прежних моделей более емкими и быстрыми и, может быть, более надежными. Технология магнитной записи еще далека от умирания: по-прежнему ежегодно происходит удвоение плотности записи, при этом потребляемая мощность устройств снижается. Поэтому развитие двух направлений, по его мнению, долгое время будет идти параллельно.

Тем временем в рейтинге самых актуальных технологий систем хранения Storage Networking Technology Heat Index компании TheInfoPro за II квартал текущего года технология SSD вышла на второе место, уступая лишь дедупликации. Год назад ей отводилось десятое место, а ранее она не поднималась выше 21-го. Аналитики Gartner внесли флэш-память в Top10 технологий ИТ на 2011–2013 годы.

SSD — В МАССЫ

Накопители SSD выйдут на массовый рынок не только в результате снижения цен, но и ввиду явных преимуществ в производительности, высокой надежности, простой интеграции с существующими системами, появления новых и требовательных к скорости доступа приложений, оптимизации операционных и файловых систем для работы с SSD. Однако для их широкого распространения нужны годы. Эксперты прогнозируют два сценария развития событий. Согласно первому, SSD останутся нишевым решением, и даже в 2016 году их продажи будут составлять немногим более 20% мировых продаж высокопроизводительных HDD. По второму сценарию, который считается более вероятным, через пять лет они полностью вытеснят быстрые (10/15 тыс. об/мин) дисковые накопители при уровне продаж 27 млн устройств в год.

По мнению аналитиков iSuppli, благодаря конкуренции производителей и росту объемов поставок, через три-четыре года накопители SSD могут сравняться в цене с жесткими дисками. Впрочем, эксперты Storage Networking Industry Association (SNIA) ожидают, что в ближайшие пять лет снижение цен будет уже не столь незначительным — 20–30% в год, тогда как в предыдущие три года оно составляло, соответственно, 58, 64 и 28%. По прогнозам Gartner, в течение двух лет стоимость SSD и HDD корпоративного класса будет снижаться одинаковыми темпами: сейчас корпоративные SSD стоят около 10 долларов за гигабайт (на порядок дороже HDD), но за два года их цена может снизиться до 6–7 долларов. В 2012 году SSD (в долларах за гигабайт) будет стоить столько же, сколько стоил корпоративный HDD в 2007 году.

Корпоративные SSD, изготавливаемые по технологии флэш-памяти Single-Level Cell (SLC) NAND, обладают большей долговечностью, чем Multi-Level Cell (MLC) NAND: число циклов записи у них на порядок выше (около 100 тыс. на ячейку). Срок службы типичного накопителя SSD (SLC) емкостью 32 Гбайт составляет (в лабораторных условиях), по данным SNIA, 140 лет при записи 50 Гбайт данных ежедневно. Эти устройства отличаются повышенной производительностью (особенно при записи) и наличием более совершенных механизмов контроля целостности и защиты данных.

Как подчеркивает Александр Грубин, менеджер по развитию бизнеса отдела систем хранения данных НР в России, себестоимость SSD для корпоративного рынка значительно выше, чем SSD для рынка SOHO: они изготавливаются по более дорогой технологии, а в целях повышения надежности и решения проблемы жизненного цикла в них используются более сложные контроллеры. По мере совершенствования технологии и увеличения объемов производства цены будут снижаться, но это снижение вряд ли будет стремительным.

В настоящее время технология SLC доминирует в продуктах корпоративного класса, но 90% поставок SSD в мире приходится на продукты MLC, которые стоят вчетверо дешевле (долл./Мбайт), но в 10–20 раз менее надежны. Чтобы увеличить срок службы накопителей SSD, производители применяют специальные алгоритмы распределенной записи, чтобы все ячейки памяти использовались относительно равномерно.

SSD могут устанавливаться в системных платах серверов (в слотах DIMM и PCI Express), в кэш-памяти внешней СХД или контроллера встроенного жесткого диска либо служить в качестве основного устройства хранения. Их можно оснащать практически любым интерфейсом. Применение SSD может быть выгодным в приложениях Интернета (поиск, социальные сети, доставка контента, Web-кэширование), виртуализации, баз данных, бизнес-аналитики, поддержки принятия решений, обработки транзакций/OLTP, создания и редактирования видео.

Накопители SSD хорошо подходят для высокопроизводительных задач: при случайных операциях чтения/записи блоками небольшого и среднего размера их производительность на 400–700% превосходит производительность «быстрых» HDD, а для блоков большого размера этот показатель составляет 200–500%. OCZ Technology в октябре выпустила SSD RevoDrive X2 с интерфейсом PCIe c пропускной способностью до 740 Мбайт/с и производительностью до 120 тыс. операций ввода/вывода в секунду (Input/Output Operations Per Second, IOPs). Новый SSD имеет емкость от 100 до 960 Гбайт. Применение SSD уменьшает время загрузки ОС, сокращает сроки дефрагментации, перестроения RAID, антивирусного сканирования. SSD потребляют примерно на 90% меньше электроэнергии, чем «быстрые» HDD 3,5″. Наработка на отказ SSD (MTBF) составляет около 2 млн часов (вдвое выше, чем у HDD), и коэффициент отказов у них меньше.

Выпущенная Toshiba в прошлом году линейка корпоративных SSD на базе памяти SLC NAND обладает производительностью 25000/20000 IOPs при чтении/записи блоков размером 4 Кбайта. Они выпускаются в форм-факторе 2,5″ (SFF) и оснащаются двумя резервируемыми портами SAS. По данным компании, их энергопотребление на 240% ниже, чем у HDD, что позволяет создавать «зеленые» ЦОД. В августе этого года Toshiba представила SSD на базе памяти Toggle Mode NAND с удвоенной скоростью передачи данных в версии MLC и SLC емкостью до 128 Гбайт. Память Toggle Mode NAND (32 нм) имеет более быстрый интерфейс по сравнению с асинхронной памятью NAND, а ее энергопотребление ниже по сравнению с конкурирущей синхронной памятью DDR NAND. Разработчики считают, что такие продукты хорошо подходят для высокопроизводительных корпоративных приложений.

Компания Hitachi GST приступает к выпуску накопителей SSD на базе памяти SLC с интерфейсом SAS на 6 Гбит/с в форм-факторе 2,5″ и с интерфейсом Fibre Channel на 4 Гбит/с в форм-факторе 3,5″. Они производятся в сотрудничестве с Intel и предназначены для OEM-производителей. В следующем году Hitachi и Intel планируют выпуск версии SSD на базе памяти MLC. Эти более дешевые и емкие накопители ориентированы на приложения с небольшой интенсивностью операций записи.

Экспансия SSD на корпоративный рынок уже началась, и старт задали СУБД, считает Александр Зейников. Следующими могут стать файловые серверы: в данный момент у производительности (IOPs) файловых систем есть «узкое место» — в части хранения и метаданных. Сначала на рынок придут гибридные решения, а затем и иерархические системы хранения.

IBM стала внедрять SSD в корпоративные решения с 2007 года. Применение 2,5-дюймовых накопителей SanDisk SATA 5000 емкостью 64 Гбайт в серверах IBM BladeCenter HS21 XM позволило на 18 Вт сократить энергопотребление в расчете на один сервер (252 Вт на шасси). Компания постепенно расширяет использование SSD в серверах и платформах хранения, совершенствуя ПО, управляющее размещением данных на накопителях разных типов. Программные продукты Data Facility Storage Management Subsystem (DFSMS) и SSD Data Balancer упрощают миграцию, мониторинг и динамический перенос данных на твердотельные накопители.

В серверах IBM Power Systems могут использоваться SSD 2,5″ с интерфейсом SAS емкостью 69 Гбайт. По данным IBM, производительность такого накопителя в IOPs в 87 раз выше, чем у жесткого диска SAS 15K, а потребляет он в пять раз меньше электроэнергии. Для серверов IBM System х предназначены SSD 2,5″ и 3,5″ с интерфейсом SATA емкостью 50 Гбайт с потребляемой мощностью 2,1 Вт. Накопителями SSD комплектуются системы хранения System Storage DS8000. По данным IBM, это позволяет на 30% повысить общую производительность СХД (при выполнении DB2 и SAP), сократить энергопотребление на 70% и уменьшить занимаемые площади на 60%.

В модульных серверах HP ProLiant для платформы HP BladeSystem также могут использоваться встроенные накопители HP Solid State Drives Gen 2 емкостью 80 или 120 Гбайт форм-фактора SFF (2,5″) с интерфейсом SATA. Их производительность при произвольном чтении в 70 раз превосходит показатели дисков SAS 15K, а при записи — до 20 раз. Кроме того, в серверы HP BladeSystem можно установить мезонинную плату HP StorageWorks IO Accelerator for HP BladeSystem c-Class на SSD. Это ускоряет операции ввода/вывода при произвольном доступе к небольшим блокам данных. Такая плата с интерфейсом PCI Express х4 емкостью 80, 160 (SLC) и 320 Гбайт (MLC) имеет производительность до 800 Мбайт/с или до 100 тыс. IOPs на операциях с произвольным доступом малыми блоками (4 Кбайта). Операционная система воспринимает эту плату как собственный локальный жесткий диск и может ее использовать вместо обычного жесткого диска для требовательных к производительности приложений. До трех таких модулей может быть установлено в полноразмерный блейд-сервер, с объединением их в RAID средствами операционной системы. Системы хранения корпоративного уровня HP EVA 6400 и 8400 могут поддерживать до 216 (в модели 6400) и до 324 (в 8400) дисков HDD 3,5″ с интерфейсом FC/FATA емкостью до 600 Гбайт каждый и накопители SSD емкостью 200 или 400 Гбайт, ускоряющие операции чтения небольших блоков. Массивы уровня предприятия HP StorageWorks P9500 оснащаются дисками только малого форм-фактора 2,5″ и расширяются до 2048 дисков, поддерживая как диски с интерфейсом SAS максимальной емкостью 500 Гбайт, так и диски SSD емкостью 200 Гбайт.

По словам Александра Грубина, у HP появилось много новых продуктов и технологий, поддерживающих технологию SSD и миграцию данных между различными уровнями хранения. SSD можно использовать в большинстве систем хранения HP, а в остальных они будут поддерживаться в ближайшее время. Во всех СХД HP StorageWorks, где реализована технология многоуровневого хранения, заказчик может применять диски SAS и SATA, самостоятельно формируя из них динамические пулы ресурсов, и при необходимости добавлять более быстрые накопители SSD.

Серверы Sun Blade 6000 поддерживают накопители SSD в форм-факторе 2,5″ вместо дисков, а в некоторых моделях твердотельные накопители Sun Flash устанавливаются в слоты системной платы подобно модулям памяти DIMM. Файловая ZFS автоматически записывает новые данные на скоростные накопители SSD (кэш-память систем хранения).

Рисунок 3. NetApp предлагает для ускорения операций СХД модули Flash Cache емкостью 256 или 512 (SLC NAND) — платы расширения, помещаемые в стандартный слот PCIe. В зависимости от типа и мощности контроллера в каждый устанавливается от 1 до 4 таких модулей с целью представления «кэша второго уровня» для «горячих» данных. Как утверждается, для достижения максимальной эффективности кэширования не нужны сложные и дорогостоящие системы миграции данных между уровнями хранения.Компания NetApp в качестве альтернативы созданию дополнительного уровня твердотельных накопителей предлагает использовать флэш-память как интеллектуальный кэш для ускорения работы файловых служб, систем обмена сообщениями, виртуальных инфраструктур и баз данных OLTP (см. Рисунок 3). Модули Flash Cache (PAM II) легко устанавливаются и автоматически кэшируют часто запрашиваемые данные. В NetApp утверждают, что по сравнению c HDD такой подход позволяет ускорить чтение данных как минимум в 10 раз и сократить расходы на системы хранения почти на 50% для типовых приложений.

Как утверждает Алексей Иванов, потенциальные заказчики ждут увеличения емкости SSD и более низкой цены. Только тогда можно будет говорить об их массовом выходе на корпоративный рынок. Когда это произойдет, до сих пор неясно. Пока же будут использоваться гибридные схемы, в том числе с кэшированием на SSD, и внедряться отдельные решения на базе SSD (серверы и системы хранения).

По мнению Александра Грубина, преимущества от применения SSD получат те, кто работает с бизнес-критичными транзакционными приложениями: например, базами данных Oracle или SAP, аналитическими приложениями, серверами электронной почты — в этих случаях SSD позволяют решить проблемы с производительностью. С помощью всего лишь нескольких SSD можно добиться такой же производительности ввода/вывода, как и при использовании нескольких дисковых полок с высокопроизводительными дисками FC или SAS. Зачастую из-за недостатка мощности электропитания или места в стойке заказчики не могут расширить дисковый массив, когда требуется установить сразу несколько десятков HDD. Применение SSD может решить такую проблему. Для некоторых задач большим преимуществом может быть устойчивость SSD к вибрациям и способность работать в более широком диапазоне температур. На массовый корпоративный рынок SSD выйдут, когда появятся СХД с архитектурой, способной обеспечить такие же высокие скорости ввода/вывода, как и сами накопители. Пока такое возможно лишь в массивах старшего класса.

ГИБРИДНЫЕ СХД

Рисунок 4. Увеличение емкости способствует снижению стоимости традиционных дисков (в долларах за гигабайт). Недавно компания Western Digital первой в отрасли выпустила накопитель SATA емкостью 3 Тбайт. В нем применяются диски с плотностью записи 750 Гбайт на пластину и технология Advanced Format (AF).Комбинирование SSD и HDD в серверах и дисковых массивах позволяет создавать экономичные комплексные решения корпоративного класса и оптимизировать производительность систем хранения FC или SAS при выполнении приложений разного типа. По словам Алексея Иванова, на данный момент SSD выгодно использовать в гибридных конфигурациях с HDD SATA (см. Рисунок 4) и SAS (кэширование на SSD, различные схемы SSD+HDD). Оборудование становится более компактным и потребляет меньше электроэнергии. Вопреки представлению о том, что системы хранения на SSD экономически себя оправдывают лишь для приложений, где нужна очень высокая производительность, они уже сейчас позволяют получить выигрыш по TCO для широкого спектра корпоративных задач.

По мнению специалистов Hitachi GST, хотя начальные затраты при развертывании систем с SSD выше, применение этих накопителей дает возможность значительно снизить операционные расходы. При сохранении производительности системы хранения можно обойтись меньшим числом дисковых накопителей HDD. В результате оборудование становится более компактным и потребляет меньше электроэнергии.

Александр Дудник, председатель комитета SNIA Europe в России, привел на конференции IDC некоторые примеры построения архитектуры гипотетической системы хранения, в базовом варианте которой используются 100 дисковых накопителей со скоростью вращения 15 тыс. об/мин. Общая емкость этих дисков — 14,6 Тбайт. Система эквивалентной стоимости, полностью реализованная на базе SSD, будет содержать 34 накопителя, но емкость ее составит лишь 15% от базового варианта с использованием HDD. Если реализовать комбинированную систему (20% накопителей на SSD) той же емкости, что и базовый вариант, она обойдется почти вдвое дороже, но будет на порядок производительнее (по IOPs). Замена HDD на недорогие накопители SATA (16 SSD + 46 SATA) позволяет получить систему практически с такой же производительностью и примерно на треть большей стоимостью. То есть за счет SSD можно, при сохранении общей емкости, на 960% повысить производительность (около 300 тыс. IOPs вместо 31 тыс.) и впятеро снизить потребление электроэнергии (305 Вт вместо 1500 Вт).

Гибридную систему можно оптимизировать и по стоимости. По данным SNIA, если вместо СХД емкостью 64 Тбайта из 224 дисков FC использовать систему хранения с той же производительностью и емкостью в комбинации SSD+SATA, то она окажется на 39% дешевле по капитальным затратам, будет потреблять на 66% меньше электроэнергии и занимать на 59% меньше места. Разумеется, в реальной жизни показатели зависят от характера приложения и особенностей доступа к данным. Наибольший эффект от SSD достигается для нагрузки, представляющей собой произвольные операции чтения и записи небольшими блоками в соотношении 80/20, что примерно соответствует работе СУБД (соотношение 70/30). Кроме того, по наблюдению NetApp, «холодные» данные составляют до 70–80%, а на «горячие» приходится примерно 20–30%. Исходя из этого, можно выбирать пропорцию HDD/SSD. Снижение энергопотребления и увеличение надежности позволяют получить выигрыш по TCO (по данным SNIA — более 2300 долларов за четыре года для системы емкостью 1,5 Тбайт при замене дисков HDD SAS на SSD).

Как уверяют представители SNIA, накопители SSD будут постепенно вытеснять быстрые диски HDD (15 тыс. об/мин) с интерфейсом FC и SAS. По мнению Александра Дудника, со временем быстрые дисковые накопители FC исчезнут, и в корпоративных системах будут применяться накопители SSD и бюджетные HDD с интерфейсом SATA, что может произойти уже через полтора года. Между тем, хотя доля FC действительно уменьшается, сейчас причиной этого является в первую очередь их замещение дисками SAS, а влияние SSD минимально, замечает Алексей Иванов. По его мнению, накопители SSD будут сосуществовать с HDD с интерфейсами SAS и SATA, возможно, потеснив SAS.

Диски FC действительно уйдут с рынка в ближайшие пару лет, но им на смену придут диски SAS, подтверждает Александр Грубин. Сейчас доступны HDD емкостью 600 Гбайт с интерфейсом SAS на 6 Гбит/c и скоростью вращения 15 тыс. об/мин. Стоят они дешевле, чем аналогичные диски с интерфейсом FC. Более того, вскоре произойдет массовый переход с форм-фактора 3,5″ на 2,5″ (согласно прогнозам SNIA, их цены в 2012 году сравняются), что позволит существенно увеличить плотность размещения дисков в системах. Поэтому полный переход на SSD — дело не ближайшего будущего. Для большинства приложений производительности быстрых дисков SAS вполне хватает. При этом, по сравнению с SSD, их стоимость и емкость будут еще долго оставаться привлекательными для заказчиков. В LSI признают, что в настоящее время наиболее экономичным является использование жестких дисков (конфигурация SAS+SATA), но ситуация изменится, когда твердотельные накопители станут более доступными.

Все производители внешних хранилищ данных имеют в своем арсенале решения FC-SAS/SATA, говорит Вячеслав Фонарев. При этом FC обеспечивает внешний доступ к хранилищу, а для внутреннего межсоединения вполне хватает SAS. Накопители SSD будут использоваться в таких системах в качестве кэш-памяти, а не основного хранилища.

У дисков FC и SAS 15K наработка на отказ выше, чем у SATA. Fibre Channel, скорее всего, в ближайшее время уступит интерфейсу SAS, предполагает Дмитрий Агеев, специалист группы продвижения IBM Storwize компании IBM в России и СНГ. FC и SAS 2.0 уже сравнялись по функционалу и используют одинаковый набор команд SCSI, но диски SAS дешевле, что должно привести к потере спроса на диски FC. Это уже происходит. Например, в новых массивах начального и среднего уровня IBM уже перешла на SAS 2.0. С другой стороны, вместо FC все активнее используются накопители SSD. На двух полюсах выгоды находятся разные диски: с одной стороны — SATA, удовлетворяющие требованиям экономичности, с другой — SSD, отвечающие требованиям производительности.

Рисунок 5. SSD имеет производительность примерно 50 тыс. IOPs против 3600 у HDD и на порядок меньшую задержку при доступе.Многие вендоры предлагают SSD с форм-фактором и интерфейсами, соответствующими HDD (см. Рисунок 5), поэтому технически замена одних на другие в дисковом массиве не представляет сложности, но максимального эффекта она не даст. С этой целью вендоры разрабатывают специальное ПО. Например, опция MegaRAID FastPath для контроллеров LSI отключает для SSD все алгоритмы оптимизации чтения/записи, связанные с геометрией HDD: оптимизацию пути головки диска, перестроение очереди чтения и записи и т. д. По словам Александра Зейникова, отключение ненужных, но загружающих процессор проверок и оптимизаций, приводит к скачку производительности (примерно до 80%) на массивах, состоящих только из SSD. Кроме того, контроллер СХД должен справляться с высокой производительностью SSD (IOPs). Для текущей линейки LSI обоснованны конфигурации с 8–10 SSD. Характеристика IOPs у контроллеров в основном зависит от процессора. LSI уже планирует их выпуск на основе многоядерных процессоров. Это позволит повысить число поддерживаемых накопителей SSD до 24–30 устройств.

В данный момент архитектура СХД действительно имеет ограничения по количеству SSD в дисковых группах, подтверждает Александр Грубин. Восьми SSD хватит для того, чтобы загрузить пару контроллеров на 70–80%. Массивы старшего класса частично лишены этих ограничений, а новые архитектуры СХД, способные эффективно использовать производительные накопители SSD, — дело ближайшего будущего.

Adaptec не рекомендует подключать больше 3–5 SSD на контроллер (это касается всех дискретных контроллеров RAID на рынке). По словам Алексея Иванова, исходя из этого и необходимо планировать замену HDD на SSD. В настоящее время компания советует использовать схемы кэширования на SSD, которые позволяют более гибко подходить к интеграции SSD в серверы и СХД.

Ряд вендоров предлагает ПО, позволяющее использовать SSD в качестве кэш-памяти для оптимизации производительности операций ввода/вывода и минимизации времени отклика системы с HDD. Например, решение MegaRAID CacheCade для контроллера LSI MegaRAID на 6 Гбит/с разработано для увеличения производительности дисковых массивов и позволяет заказчикам осуществлять постепенный переход на технологию SSD. По данным LSI, лучше всего это ПО проявляет себя при работе приложений, ориентированных на множество случайных небольших блоков ввода/вывода (например, Web и OLTP), обеспечивая 50-кратное увеличение производительности. Приложения, использующие крупные активные наборы или более интенсивные профили записи, показывают ограниченное улучшение (для таких ситуаций разработано ПО LSI MegaRAID FastPath).

По словам Александра Зейникова, с момента включения контроллера все запрашиваемые данные копируются на SSD, причем одновременно ведется список секторов, информация которых продублирована в кэш-памяти. При обращении к сектору диска, который уже есть в кэше, но отсутствует в оперативной памяти, данные считываются с SSD. Когда весь объем SSD оказывается заполнен, включается механизм отслеживания «горячих» зон массива HDD. Редко используемые данные на SSD замещаются «горячими». В результате SSD работает как ускоритель массивов HDD. Например, для СУБД, где размер рабочих таблиц больше емкости памяти сервера, применение кэша из SSD, контроллера MegaRAID и ПО CacheCade позволяет получить в несколько раз более производительное и дешевое решение, чем сервер с оперативной памятью увеличенной емкости.

Adaptec называет свое решение maxCache высокопроизводительной технологией гибридных дисковых массивов. Результаты независимого тестирования производительности maxCache SSD Cache Performance Solution в среде Web-серверов показывают шестикратное сокращение времени ответа пользователю и четырехкратный прирост пропускной способности. Решение может включать в себя до восьми накопителей SSD Intel X25-E Extreme SATA по 32 или 64 Гбайт, кэширующее ПО Adaptec MaxIQ SSD и контроллеры Series 5Z, Series 5 или Series 2. Накопители SSD Intel X25-E характеризуются производительностью 35 тыс. IOPs в режиме чтения и 3,3 тыс. IOPs в режиме записи. Они подключаются непосредственно к контроллеру и используются как дополнительная кэш-память. Кроме того, Adaptec предлагает контроллеры Series Q с интегрированной технологией maxCache, которые в качестве SSD-кэша могут использовать любые SSD-накопители. Adaptec maxCache дает прирост производительности при преобладании операций чтения, но если количество операций большое, ускорения записи не будет. Впрочем, вскоре Adaptec намерена предложить и схемы для использования SSD в качестве кэша записи; уже сейчас реализована схема гибридного RAID 1/10 SSD+HDD с несколькими дисками.

MaxIQ предназначается для задач с интенсивным вводом/выводом и для сред «облачных» вычислений. Это решение может использоваться для создания высокопроизводительных гибридных массивов (High-Performance Hybrid Array, HPHA). По данным компании, массивы HPHA позволяют до 50% сократить капитальные и операционные затраты. Между тем накопители SSD с успехом используются и в более сложных конфигурациях с большим числом уровней хранения и более интеллектуальным ПО.

ЯРУСНОЕ ХРАНЕНИЕ

Идея иерархического или ярусного хранения (Storage Tiering) состоит в том, чтобы распределять данные по системам хранения (это могут быть разные СХД или одна система с разными типами накопителей) в зависимости от вероятности повторного доступа к ним (см. Рисунок 6). Обычно иерархию образуют от двух до четырех уровней. Цель — повышение скорости доступа к данным и оптимизация затрат на хранение. Наиболее востребованные данные помещаются на самые быстрые и дорогостоящие накопители, а статические, редко изменяемые мигрируют на медленные недорогие диски большой емкости или на магнитные ленты. По оценкам, 20% корпоративных данных следует хранить на уровнях 0-1 (SSD и диски SAS/FC), а 80% — на уровнях 2-3 (диски SATA/НМЛ).

Рисунок 6. Коммутаторы SAS позволяют создавать достаточно сложные конфигурации для ярусного хранения данных.

Для обеспечения максимальной производительности, автоматической балансировки нагрузки и автоматизированной реализации концепции иерархического хранения данных могут использоваться системы с комбинацией накопителей SSD (быстрая кэш-память) и HDD (SAS или SATA). Многие производители наделяют свои СХД возможностями динамического распределения данных по уровням хранения. Один из наиболее известных примеров — технология EMC Fully Automated Storage Tiering (FAST) для дисковых массивов Symmetrix, Clariion и Celerra. IBM также активно развивает свой программный инструментарий, с помощью которого часто используемые данные можно хранить на устройствах SSD, а остальные — на жестких дисках.

Еще один характерный пример — дисковые массивы iSCSI серии EqualLogic компании Dell. Ранее в них можно было устанавливать только однотипные диски (в PS6000E — 16 дисков SATA, в PS6000X — SAS 10K, в PS6000XV — SAS 15K, в PS6000S — SSD) и объединять разные дисковые массивы в общий пул хранения (до восьми систем PS6000) с иерархическим или вручную управляемым размещением томов на том или ином уровне. В новом дисковом массиве PS6000XVS, содержащем по восемь накопителей SSD и дисков SAS 15K, можно комбинировать разнотипные накопители, образующие уровни 0 и 1.

Для целого ряда приложений такая архитектура позволяет значительно повысить производительность (IOPs) и сохранить приемлемую стоимость решения (см. Рисунок 7). По словам Дмитрия Агеева, ТСО SSD меньше в сравнении с обычными дисками. Кроме того, сейчас разрабатываются решения, которые позволяют эффективно применять SSD в условиях ограниченного бюджета. У IBM это технология Easy Tier в новом дисковом массиве среднего уровня Storwize V7000 и в массиве старшего класса DS8000. Она постоянно анализирует производительность массива и автоматически переводит «горячие» области на SSD и обратно на диски, если сегменты данных более не нуждаются в производительных ресурсах. C администратора снимается тем самым задача прогнозирования и правильного распределения данных по уровням хранения.

ПО анализирует количество операций ввода/вывода, характер и активность доступа к данным, оценивает время доступа и применяет заранее заданные правила. Такой класс программных продуктов, получивший название Dynamic Storage Tiering (DST), позволяет максимально эффективно использовать дорогостоящую быструю память и помогая справиться с ростом объемов данных. Динамическое распределение данных по уровням хранения уже широко используется в СХД и обеспечивает создание относительно недорогих инсталляций с SSD. Для эффективного функционирования «уровня 0» (SSD) обычно требуется большое количество дисков HDD, что, однако, не всегда способствует росту производительности, ведь задержка при доступе к данным может даже увеличиваться. Более того, производительность иногда снижается, поскольку для определения перемещаемых данных (на файловом или блочном уровне) необходимо привлечение ПО. Разработчики по-разному решают эту проблему.

В частности, технология Adaptec maxCache использует для анализа активности данных ресурсы процессора ввода/вывода контроллера: их вполне хватает, к тому же ресурсы хост-системы не задействуются.

Иногда DST используют в сочетании с виртуализацией СХД. Продукты виртуализации отображают виртуализированные логические блоки в физические блоки дисков и хорошо вписываются в логику работы DST: при отображении блока принимается решение о том, на каком уровне хранения его размещать. Например, система IBM SAN Volume Controller (SVC) поддерживает DST на уровне LUN (логических дисков), а ПО IBM SVC Automatic Tiering автоматически перемещает данные между дисками и SSD на более детализированном уровне. ПО Network Storage Server (NSS) SAN Accelerator компании FalconStor Software определяет активные блоки дисков и кэширует их на SSD. Hitachi Tiered Storage Manager (HTSM) в системе USP от Hitachi Data Systems поддерживает DST на уровне LUN, в том числе для подключенных к ней дисковых массивов разных вендоров. В качестве реализации более эффективной поддержки SSD компания рассматривает вариант включения в этот процесс блоков данных.

Обычно «блочные» продукты DST «привязаны» к дисковым массивам одного вендора, поэтому, если нужно реализовать динамическое перемещение данных по устройствам хранения разных производителей, нужны другие решения, работающие на уровне файлов. Ключевая характеристика систем DST файлового уровня — единое пространство имен, охватывающее разнородные хранилища данных. В этом случае становится возможным прозрачное перемещение файлов между разными уровнями хранения, причем путь доступа к файлам сохраняется независимо от их физического местонахождения.

Такие возможности поддерживаются в системах NAS серии FXT компании Avere Systems, в F5 Networks ARX Series, HP StorageWorks X9000 scale-out NAS и в ПО Symantec Storage Foundation. Все эти продукты анализируют активность доступа к файлам и перемещают их на соответствующий уровень по заданным правилам, а кроме того, поддерживают устройства NAS и файловые системы разных вендоров. При выборе подобных систем нужно принимать во внимание возможности их масштабирования и резервирования.

Продукты DST, работающие на уровне файлов, плохо подходят для структурированных данных, например БД SQL и Microsoft Exchange. Кроме того, чем больше разница в цене и производительности между уровнями хранения, тем более важным становится перемещение данных мелкими блоками.

В некоторых приложениях особое значение имеют возможности настройки правил и планирования перемещения данных. Перемещение LUN не должно влиять на функционирование приложений. Если продукт DST работает с небольшими блоками данных, необходима автоматизация. Когда перенос происходит на уровне томов или LUN, процесс миграции должен оставаться контролируемым.

По словам Александра Грубина, многие крупные заказчики уже начали присматриваться к технологиям многоуровневого хранения, есть примеры внедрения. В системе HP X9000 эта технология (Data Tiering) реализована на файловом уровне и позволяет прозрачно для пользователей перемещать файлы между быстрыми и медленными носителями по заданным правилам, а в продуктах HP P9500 многоуровневое хранение (Smart Tiers) реализовано уже на блочном уровне — для таких приложений, как базы данных или системы электронной почты. Системы хранения компании 3PAR, не так давно вошедшей в состав HP, тоже поддерживают эту концепцию автоматической миграции данных не только между уровнями хранения, но и между уровнями RAID без остановки приложений; тем самым оптимизируются скорость и надежность. В начале следующего года технологии Dynamic Optimization и Adaptive Optimization станут доступны российским заказчикам. По существу, новые аппаратные платформы HP StorageWorks, моделей X9000 и/или P9500 — уже готовое решение, реализующее концепцию многоуровневого хранения. Заказчику не нужно тратить время и ресурсы, чтобы интегрировать ПО DST с обычными массивами.

Миграция данных между уровнями хранения рассматривается сегодня как одно из наиболее перспективных применений SSD и считается основным драйвером увеличения их продаж. Однако Алексей Иванов называет ярусное хранение вариантом нишевого использования SSD, подчеркивая, что эффективность таких схем зависит от их реализации.

По словам Вячеслава Фонарева, системы с миграцией данных были известны задолго до появления SSD и обычно ассоциируются с большими объемами данных, сильно различающихся по активности работы с ними. Вряд ли эти решения повлияют на продажи SSD. Кроме того, система выявления активных данных не должна привносить больших накладных расходов и приводить к задержкам в получении данных

Как отмечает Александр Грубин, накопители SSD являются хорошей основой для построения систем многоуровневого хранения: применение таких технологий позволяет в полной мере реализовать концепцию «облачного» хранения данных, когда виртуализация внутри СХД не только дает возможность создавать общие пулы ресурсов, но еще и обладает интеллектуальным потенциалом для эффективного их использования.

Некоторые вендоры уже пытаются в полной мере задействовать концепцию «облаков» в своих продуктах DST. Например, недавно созданные компании Cirtas Systems и Nasuni выпускают шлюзы «облачного» хранения с функциями DST. Шлюз Nasuni Filer работает в среде VMware ESX и поддерживает виртуализированную файловую систему, в которой некоторые данные находятся в корпоративных системах заказчика, а остальные выводятся в «облако». Устройство Cirtas Bluejet Cloud Storage Controller работает на уровне блоков, имеет локальную систему хранения для активных блоков, а неактивные автоматически помещаются в «облако». Такой подход может быть привлекательным в том случае, когда объемы данных быстро растут и в то же время лишь небольшая их часть действительно востребована. В ближайшие пять лет твердотельные накопители окажут глубокое влияние на архитектуру систем хранения.

Сергей Орлов — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: sorlov@lanmag.ru.

Рисунок 7. В схеме «облачного» хранения накопители SSD занимают свой, не обязательно нулевой, уровень. В идеале заказчик должен сам решать, какие уровни ему нужны для выполнения поставленных задач, а от производителей СХД требуется умение предложить ему такую возможность (по данным HP).
Не все SSD одинаково полезны

Один из факторов, определяющих производительность HDD, — скорость вращения диска. У HDD со скоростями вращения 15 и 7,5 тыс. об/мин при операциях чтения и записи (в IOPs) скорость различается примерно в 3,5 раза. У SSD она превосходит производительность HDD при случайном чтении небольших блоков данных, однако, когда выполняются операции записи, производительность некоторых накопителей SSD может быть ниже, чем у HDD 15K. Кроме того, она значительно различается у разных SDD и зависит от характера рабочей нагрузки. Быстрый HDD выполняет операции записи вдвое быстрее, чем медленный SSD. Что же касается операций последовательного чтения/записи, быстрые накопители HDD несколько опережают высокопроизводительные SSD.

Лабораторные исследования SSD четырех разных производителей, проведенные ассоциацией SNIA, показали значительное расхождение в скорости (IOPs): на операциях случайного чтения (блоками по 512 байт) — в два раза, а на операциях записи — более чем в 120 раз. У некоторых SSD с увеличением размера блока производительность в IOPs быстро снижается, у других этот спад более линейный. Разные SSD по-разному проявляют себя и при операциях чтения после записи. У некоторых устройств после произвольной записи блоков по 512 Кбайт производительность в IOPs падает почти на треть. С точки зрения энергоэффективности SSD тоже заметно различаются. Кроме того, хотя SSD в сотни раз опережают HDD по энергоэффективности (ватт на IOP), медленные HDD в несколько раз превосходят SSD по энергозатратам в применении к пропускной способности (Вт/Гбайт).

Чтобы повысить производительность SSD, в них иногда используют кэш-буфер из более быстрой оперативной памяти (RAM). Кроме того, постоянно совершенствуются алгоритмы доступа к памяти SSD, записываемые в микросхемы контроллеров ASIC. Растет и процессорная мощность контроллеров SSD, что ведет к увеличению производительности ввода/вывода (IOPs). Как отмечают в SNIA, увеличение плотности микросхем и использование сервисов хранения может ухудшить параметры задержки при доступе к данным, снизить производительность и надежность. С увеличением плотности микросхем растет вероятность битовых ошибок. Задача увеличения надежности устройств требует применения механизмов коррекции ошибок или RAID, за что приходится расплачиваться снижением емкости. А использование буфера RAM, более быстрых контроллеров и большего числа микросхем приводит к увеличению стоимости SSD.

Выбирать SSD следует с учетом типа рабочей нагрузки и приложения. В общем случае эти устройства наилучшим образом проявляют себя при большом числе операций произвольного чтения/записи небольших блоков данных. Для приложений, записывающих большие объемы данных в течение продолжительного времени, необходимы SSD, оптимизированные для записи. Приложения с большим объемом операций чтения менее требовательны к типу SSD.

Купить номер с этой статьей в pdf

Комментарии


23/06/2016 №06

Купить выпуск

Анонс содержания
«Журнал сетевых решений/LAN»

Подписка:

«Журнал сетевых решений/LAN»

на месяцев

c

Средство массовой информации - www.osp.ru. Свидетельство о регистрации СМИ сетевого издания Эл.№ ФС77-62008 от 05 июня 2015 г. Выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзором)