Раньше твердотельные накопители недооценивали. Низкая надежность, высокая стоимость, недостаток объема. Соответственно, чаще использовались жесткие диски и массивы RAID разной степени сложности для получения более высокой скорости и увеличения надежности. Сейчас ситуация заметно изменилась, потому флеш-память становится все более распространенной. В персональных компьютерах уже главный совет — установка SSD. Но в корпоративном сегменте все заметно сложнее и требуются более гибкие решения.
Впрочем, флеш-память используется здесь все чаще. На 2024 год прогнозируемое количество твердотельных накопителей в серверном сегменте будет составлять более 42% в расчете на объем. И продолжит расти. Так что, самое время поговорить о SSD для сервера.
Упор на производительность
Дисковая подсистема, даже построенная с помощью RAID-массивов, низменно является бутылочным горлышком системы. HDD медлительны, несмотря на значительный рост объемов, скорость накопителей за многие годы практически не выросла. Соответственно, использовать для кеширования данных, быстрой разверстки виртуальных машин и в системах с преобладанием случайных обращений становится затруднительно. Использование RAID для увеличения скорости тоже не дает серьезных результатов. Потому использование SSD в серверах стало неизбежностью.
Благодаря флеш-памяти обладатели серверного оборудования наконец-то смогли вздохнуть спокойно, ибо стало проще разворачивать производительные дисковые подсистемы, которые стали довольно надежными, позволяют работать со случайными обращениями и не являются бутылочным горлышком в платформе. Современные SSD постепенно начали превосходить HDD во всем.
HDD на текущий момент годятся только в качестве хранилищ или в системах, где скорость дисковой подсистемы не особо принципиальна. Но даже в таких серверах предпочитают операционную систему и основные приложения размещать на твердотельных накопителях, в противном случае загрузка будет занимать вечность, а запуск любого приложения отправит сотрудника на перекур.
Конечно, SSD для сервера могут заметно ускорить работу системы, но цена все еще заметно выше, чем у жестких дисков, так что вложения до сих пор существенны. Потому, поговорим о проблемах выбора.
Какой SSD для сервера выбрать?
Solid-state drive – запоминающее устройство на основе флеш-памяти. Существуют разные типы, например, основанные на разных методах соединения ячеек:
NOR – двумерная матрица проводников, с одним звеном на пересечении;
NAND – двумерная матрица проводников просто транзистор заменен на столбец из последовательно размещенных ячеек.
В современных «резервуарах памяти» чаще используется второй вариант, ведь он более хорош во многих смыслах:
большая плотность записи;
стирание памяти в блоках производится сразу, в NOR сначала требуется обнулить все байты блока;
ниже энергопотребление.
NAND в 2024 году применять целесообразнее. NOR-SSD на рынке сейчас не видно, нет даже в планах, так что лучше вести повествование о актуальном направлении.
Итак, стоит посмотреть на существующие классические типы NAND (3D NAND рассмотрим позже):
Тип флеш-памяти | SLC | MLC | TLC | QLC |
Бит на ячейку | 1 | 2 | 3 | 4 |
TBW | 100 тыс. | 3 тыс. | 1 тыс. | 0,5 тыс. |
Время чтения | 25μs | 50μs | 75μs | 110μs |
Время записи | 200–300μs | 600–900μs | 900–1350μs | 1500 и более μs |
Время стирания | 1,5-2ms | 3ms | 4,5ms | 7ms |
Итак, расшифруем:
TDW – количество циклов записи/стирания ячейки памяти, через указанное количество циклов звено с высокой вероятностью «умирает»;
все значения времени указаны для одной ячейки. μs – микросекунды, ms — миллисекунды.
Так-с, теперь пришло время поговорить о каждом типе отдельно.
SLC
Имеет один бит на ячейку, что снижает нагрузку на нее, соответственно, звено живет значительно дольше. К тому же, благодаря одноуровневой структуре снижены задержи и выше скорость чтения/записи.
Наверное, поняли, что самый лучший вид NAND-memory. Надежный, производительный. Ожидаемо, самый дорогой. Стоимость может превышать цену «младших» собратьев разы.
Например, накопитель Transcend 500TS64GSSD500 построен на SLC. Стоимость за 64 ГБ составит примерно 45 000 рублей. Недешево. Так что даже в серверах увидеть можно редко. Есть более удобные альтернативы, практически ничем не уступающие. К тому же, низкая плотность записи даст о себе знать. Здесь приходится выделить каждый бит на отдельный элемент, соответственно, физический размер устройства будет расти с количеством оных. Соответственно, при больших объемах памяти в сочетании с компактностью говорить не приходится.
MLC
Многоуровневая. Имеет большую плотность записи, ведь на ячейку уже 2 бита, соответственно, ниже стоимость. Но, пришлось пожертвовать надежностью. На данный момент один из наиболее распространенных типов флеш-памяти после 3D-NAND. Для реализации пришлось ввести дополнительные 4 пороговых напряжения, но, как оказалось, требования к состоянию микросхем возросли, деградация свойств плат сильнее отражалась на работоспособности компонентов, потому количество циклов перезаписи значительно сократилось.
В принципе, ресурса современных MLC может хватить на несколько лет бесперебойной работы, потому, хороший выбор SSD для сервера.
TLC
Впоследствии решили сделать трехуровневый SSD, чтобы еще сильнее увеличить плотность записи и снизить конечную стоимость твердотельного накопителя. К сожалению, это негативно отразилось на быстродействии, а также серьезно сократило TDW.
На реализацию такой структуры требуется 8 уровней порогового напряжения. Требования к микросхемам возрастают еще сильнее, что ведет к более стремительной деградации. Так что удешевить получилось, увеличить плотность записи тоже, но надежность вышла приемлемой только для потребительского сегмента. В качестве SSD для сервера не подойдет.
QLC
Устройства класса NAND такого типа памяти разрабатывали только экспериментально. Ключевое отличие — 16 уровней зарядов на ячейку, то есть 4 бита на каждую. К несчастью, надежность стала столь низкой, что выпуск подобного solid state drive не имела смысла. Зато реализация QLC в 3D-NAND вышла на порядок надежнее, потому применение нашла там.
3D-NAND
Задача создавать более емкие быстрые и компактные «резервуары» с выходом предыдущих типов «флешек» не потеряла актуальность. Как увеличить надежность и удешевить изделие одновременно?
Конечно, наука нашла ответ на данный вопрос, все-таки, люди могут быть очень изобретательными, когда припрет. И разработка постепенно пришла к многослойной структуре. Конечно, еще была задача вписаться в форм-факторы, потому увеличивать размер накопителя было нельзя. А вот сделать «блин» очень даже можно.
Как увеличить емкость?
Добавляем количество бит для каждого звена памяти. Теряем надежность, увеличиваем энергопотребление. Результат получится не очень. А физически размер увеличить тоже не вариант, ибо рынок требует компактности.
Техпроцесс. Если минимизировать физический размер звена, то в пределах одной платы можно разместить больше ячеек. Решили идти по этому пути.
Уменьшили, но и здесь оказался облом. Оказалось, что ниже 15нм снизить размер физически невозможно, и чем ближе к пределу, тем непомернее растет количество брака. Пришлось поискать другой вариант, позволяющий достичь поставленных целей.
Было решено увеличивать численность элементов не горизонтально, а вертикально, соответственно, в пределах одной микросхемы стало помещаться больше памяти, а некоторые проблемы, которые были характерны для предыдущих классов памяти, отошли на задний план. Правда, пришли новые (выросла вероятность брака, некоторые ячейки неправильно работают), но ходят слухи, что с ними успешно справляются. UPD: в 2019 году проблемы битых ячеек успешно решили, новые накопители стали на порядок качественнее и надежнее.
Например, 3D MLC NAND может иметь от 6 000 до 40 000 циклов перезаписи и это не предел. 3D TLC и QLC, к сожалению, имеют меньше TBW, но тут не без исключений. Intel DC P4600 феноменально отметилась TBW равным 11080. Фактически, у данного SSD есть 11080 циклов записи/стирания до отказа звена. Результат отличный. Стоимость, конечно, высокая, но это же для серверов и ЦОД, другого ожидать не стоит. Дороговизна обусловлена низкой латентностью на запись. Обычному потребителю это не нужно. Среди потребительских твердотельных накопителей чаще всего встречается 3–6 тысяч циклов.
В общем, SSD для сервера на основе 3D NAND – наиболее разумный вариант. Дешевле, чем классические типы, зато имеют высокую надежность и отличные перспективы.
Интерфейсы
Итак, у SSD и HDD существует множество интерфейсов. Наиболее распространенные:
SATA;
SAS;
NVMe.
Разберем каждый, они имеют принципиальные отличия. Конечно с точки зрения технической архитектуры различий практически нет, но есть серьезная разница в подходе к применению. Потому, рекомендую ознакомиться, если, конечно, перечисленное далее еще вам неизвестно. По крайней мере, самые дешевые и медленные — SATA, SAS в 2-3 раза быстрее. NVMe может превосходить в десятки раз.
SATA
Сей интерфейс предназначен для последовательных запросов ввода/вывода. Фактически, шина не пропускает более одного обращения подряд, пока не будет получен ответ. Четкая последовательность. При этом с асинхронными запросами работает плохо. Для параллельной работы с большим количеством обращений практически не годится. Следуют серьезные потери скорости. Даже флеш-память тут может не сдюжить, но главная проблема заключается именно в пропускной способности шины. Более 6 Гбит/с попросту нет, да и то, только для потокового чтения.
SAS
Serial Attached SCSI также предназначен для работы с последовательными запросами, но уже с двумя каналами, соответственно, случайные запросы ввода/вывода реализуются плохо, но заметно лучше, чем в предыдущем варианте, но только за счет 2-х каналов, не более. Пропускная способность составляет до 12 Гбит/с.
В смешанных процессах лучше не применять даже несмотря на то, что результаты будут заметно приятнее, чем у SATA. К тому же, цена на SSD SAS довольно высокая, иногда, выше, чем у более производительных NVMe-накопителей, речь о которых поведу далее.
NVMe
Новый логический интерфейс, разработанный специально для работы со смешанными процессами. Хоть и является последовательным, но шина PCI-E имеет своеобразный тип соединения «точка-точка», которые позволяют разбивать запрос побитно и отправлять его сразу через несколько последовательностей и также получать ответ.
Фактически, Non-Volatile Memory Express – наиболее быстрый из существующих, ограничения предыдущих интерфейсов отсутствуют, можно обработать любую численность параллельных обращений к накопителю. К сожалению, цена заметно выше, чем у предыдущих двух вариантов.
Но именно NVM Express на данный момент самый перспективный интерфейс. Если предыдущие имеют ограничения скорости на уровне интерфейса, то здесь единственное ограничение — PCIe. Сейчас шина дорабатывается, чтобы иметь еще большую пропускную способность. Тогда ограничением станет производительность процессора, оперативной памяти.
Intel Optane DC Persistent Memory
Новая память от компании Intel. Размещается в те же разъемы, что и память DDR4. Энергонезависимая, так что при обесточивании устройства содержимое памяти сохраняется. Максимальный объем на текущий момент составляет 512 Гб, более емкие модели находятся в разработки. Это уже не совсем классический SSD для сервера, но в любом случае, кроме новых процессоров Intel Xeon Scalable 2nd данные накопители ничто больше не поддерживает.
Имеет интерфейс DDR-T, фактически, устанавливается накопитель вместо оперативной памяти, что исключает «прослойку» между накопителем и процессором. Очень удобно в сферах, где нужно максимально быстро читать и перезаписывать ячейки памяти. Уверен, в крупных системах аналитики и вообще при работе с базами данных, применение сей технологии найдется, но время покажет.
Заключение
Как видите, существует множество серверных SSD. Выбор зависит от ваших задач и средств, которые готовы вложить в сие дело. Успехов, надеюсь, что сумеете выбрать комплектующие, что закроют потребности полностью.
