Преимущества накопителей SSD корпоративного класса

Повышенная надежность, долговечность, высокая производительность и безопасность оказываются вескими аргументами в пользу накопителей SSD корпоративного класса.

С развитием корпоративных серверов и систем хранения все больше внимания уделяется важным для поддержки высококритичных бизнес-транзакций факторам: скорости ввода-вывода, времени отклика и длительности задержки. Оперативный отклик сервера может существенно улучшить результаты работы, например, за счет повышения эффективности получения данных из локальных сетей или их предоставления сложными системами финансового трейдинга.

Хотя большая часть цифровых данных до сих пор хранится на обычных жестких дисках (HDD), твердотельные накопители (SSD) на основе технологии NAND обеспечивают такие конкурентные преимущества, как ускоренный доступ к данным и сниженное энергопотребление. Обладая превосходной производительностью, они все чаще выбираются в качестве предпочтительных устройств хранения данных для ноутбуков и компьютеров. Правда из-за высоких цен на накопители большой емкости пользователи в некоторых случаях устанавливают дополнительный механический жесткий диск для хранения фотографий и видеоданных.

Однако, подобно механическим аналогам, накопители SSD потребительского класса не очень хорошо подходят для корпоративных приложений, когда требуется обеспечить надежную и долговечную работу в режиме максимальной нагрузки и поддержания крайне высоких скоростей доступа к данным, их записи и стирания. Для снятия этих ограничений были разработаны накопители SSD корпоративного класса (eSSD), которые соответствуют самым жестким требованиям. Их применение позволяет устранить разрыв в скоростях доступа, который до этого имелся в традиционных иерархических системах хранения (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Многоуровневые системы хранения.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Производительность чтения и записи накопителя SSD зависит от множества факторов: архитектуры контроллера, алгоритмов микропрограммного обеспечения, кодов коррекции ошибок, используемых для обеспечения целостности данных, а также от скорости чтения, записи и стирания микросхем NAND.

Благодаря возможности параллельного доступа к микросхемам NAND через несколько каналов, скорости передачи данных оказываются намного выше, чем в случае использования жестких дисков HDD. Кроме того, скорость произвольной записи повышается и за счет других особенностей: алгоритмов со структурой журнала, большего числа запасных ячеек и команд Unmap/TRIM, сообщающих накопителю SSD о том, какие блоки данных не используются и могут быть очищены.

При высокой скорости работы современных накопителей SSD зачастую ограничивающим фактором становятся интерфейсы. Благодаря низкой стоимости и простоте внедрения интерфейс SATA (Serial Advanced Technology Attachment) наиболее часто применяется в персональных компьютерах и серверах бюджетного и среднего уровня. Однако в настоящее время максимальная скорость соединений SATA составляет не более 6 Гбит/с.

Интерфейс SAS (Serial Attached Small Computer System Interface [SCSI]), обеспечивающий полнодуплексное прямое соединение и доступ через два порта со скоростями до 12 Гбит/с, используется во многих корпоративных серверных системах. В настоящее время как в потребительских, так и в корпоративных накопителях SSD устанавливаются интерфейсы PCIe (Peripheral Component Interconnect express) со скоростями до 8 Гбит/с на линию. Преимуществом этой технологии является поддержка многолинейных соединений, что позволяет дополнительно повысить производительность. Благодаря возможности создания многолинейных соединений диски на основе интерфейса PCIe часто используются для задач кэширования как на сервере, так и в ускорительных платах.

ТИПЫ МИКРОСХЕМ NAND, ИЗНОС И УВЕЛИЧЕНИЕ ЧИСЛА ЗАПАСНЫХ ЯЧЕЕК

Стоимость микросхем NAND составляет значительную часть общей стоимости как потребительских, так и корпоративных накопителей SSD. Для повышения плотности их записи предпринималось множество попыток. С тех пор как в 1984 году компания Toshiba представила технологию NAND, размер функционального узла уменьшился с 700 нм до A19 нм. В сочетании с новыми технологиями на уровне ячейки это позволило увеличить плотность записи микросхем NAND более чем в 2000 раз (в битах) и тем самым серьезно снизить цену за 1 Гбайт (последнее происходило даже быстрее, чем наращивание плотности записи).

Несмотря на наличие технологии производства еще более мелких функциональных узлов NAND (компания Toshiba недавно объявила о разработке 15-нанометрового процесса), по мере уменьшения ячеек начинают снижаться показатели долговечности и надежности. Для устранения этой проблемы разработаны ячейки NAND, которые позволяют хранить несколько битов: одноуровневая ячейка (SLC) может хранить 1 бит, многоуровневая ячейка NAND (MLC) — 2 бита, а трехуровневая ячейка NAND (TLC) — 3 бита. Однако применение таких технологий отражается на долговечности при записи/стирании: ячейка памяти SLC может выдержать около 100 000 циклов, MLC — 5000 циклов, а TLC — 1000 циклов (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Сравнение долговечности различных видов NAND.

В настоящее время ячейки NAND класса SLC и MLC широко применяются в накопителях SSD корпоративного класса, рассчитанных на частые циклы записи/стирания. Ячейки NAND MLC и TLC используются в потребительских накопителях SSD, для которых скорость чтения и цена за 1 Гбайт являются наиболее важными факторами, влияющими на предпочтения покупателей.

Так как блоки памяти NAND могут изнашиваться и разрушаться, для каждой ячейки памяти NAND устанавливается максимальный предел количества циклов записи. Кроме того, в контроллеры NAND необходимо встраивать алгоритмы выравнивания степени износа для обеспечения равномерного использования этих ячеек.

Производительность SSD зависит от объема запасной, или дополнительной, неадресуемой пользователем памяти, так как накопители не позволяют перезаписывать имеющееся содержимое. Вместо этого перед записью новых страниц необходимо очищать целые блоки памяти NAND. В зависимости от области применения, на которую рассчитан накопитель, может предусматриваться от 6 до 150% и более запасных ячеек.

ТЕХНОЛОГИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОРРЕКЦИИ ОШИБОК

По мере уменьшения размера функциональных узлов микросхем NAND растет необходимость в использовании технологий обнаружения и коррекции ошибок (Error Correction Code, ECC), которые быстро развиваются и позволяют поддерживать оптимальную пропускную способность без угрозы для целостности данных.

В ранних поколениях накопителей NAND использовались технологии на базе кодов Хемминга, которые были достаточно просты для вычисления посредством программной реализации. По мере уменьшения размера функциональных узлов понадобилась более мощная технология ECC, в частности коды Рида — Соломона, коды BCH и LDPC. Однако с расширением возможностей коррекции ошибок повышаются и требования к мощности и времени обработки. Поэтому производители создают новые методы обеспечения целостности данных: например, компания Toshiba разработала технологию Quadruple Swing-By Code (QSBC) для мощной и высокоэффективной защиты ECC от ошибок чтения.

ЗАЩИТА ОТ ОТКАЗОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

По данным IDC, для британской производственной компании со штатом около 1000 сотрудников средняя стоимость простоя составляет 132 тыс. долларов в час. С ростом числа сотрудников до 5000 человек эта цифра возрастает до 570 тыс. долларов в час. Хотя перерывы в работе систем происходят нечасто, проблемы с хранилищем данных могут привести к снижению производительности, возникновению необходимости во внеплановом обслуживании и повышению текущих затрат в течение срока службы массива устройств хранения. Согласно последнему исследованию IDC, всего 19% опрошенных готовы смириться с несколькими часами простоя в год.

Рисунок 3. Накопители SSD корпоративного класса способны обеспечить защиту и сохранность всех данных, которые находятся в памяти NAND или записываются на диск в момент сбоя электропитания.

Критически важные для бизнеса серверы и системы хранения должны работать бесперебойно, а в случае отключения подачи энергии полностью защищать от потери данных. Благодаря наличию встроенных конденсаторов большой емкости, автоматически подающих достаточное питание для завершения обработки и записи данных, накопители SSD корпоративного класса способны обеспечить защиту и сохранность всех данных, которые находятся в памяти NAND или записываются на диск в момент сбоя электропитания (см. Рисунок 3).

ШИФРОВАНИЕ

Многочисленные утечки данных вызвали широкий общественный резонанс, породив сомнения в том, что поставщики принимают достаточные усилия для защиты клиентских данных. Хотя брандмауэры и порталы с обязательной авторизацией вносят свой вклад в обеспечение безопасности данных, нередко возникает потребность в устройствах хранения, гарантирующих конфиденциальность записанной информации, для чего используются методы шифрования.

Некоторые производители накопителей SSD корпоративного класса разработали диски с самошифрованием (Self-Encrypting Drive, SED), которые позволяют шифровать все данные пользователя с помощью модуля улучшенного стандарта шифрования (Advanced Encryption Standard, AES). Информация записывается в память NAND, шифруется с применением генерируемого случайным образом ключа шифрования, а ключ, пароли и другие параметры безопасности надежно защищаются на диске.

Этот подход позволяет не только сохранить высокую скорость работы, но и воспользоваться так называемой функцией криптографического стирания. В отличие от обычных длительных процессов перезаписи и стирания блоков, она просто повторно генерирует ключ шифрования, что эквивалентно аннулированию всех ранее сохраненных данных. Это позволяет быстро и безопасно очищать устройства хранения SED перед перераспределением, повторным развертыванием или списанием. Дополнительным преимуществом является отсутствие преждевременного износа микросхем NAND, что может быть вызвано процессом многократной перезаписи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По мере того как перегруженность данными становится для предприятий все более актуальной проблемой, растет популярность накопителей SSD для повышения производительности и энергоэффективности. Хотя использование с этой целью более дешевых потребительских накопителей SSD, на первый взгляд, весьма привлекательно, потери в результате сбоя диска могут намного превышать стоимость простой его замены. Во многих случаях данные являются бесценными и не подлежат восстановлению. Это обстоятельство, а также повышенная надежность, долговечность, высокая производительность и безопасность оказываются вескими аргументами в пользу накопителей SSD корпоративного класса.

Пол Роуэн — генеральный директор подразделения по производству устройств для хранения данных SSD компании Toshiba Electronics Europe.