SSD-диск Toshiba за $7000: 400 Гбайт, SAS 6 Гбит/с, SLC-память и максимальный ресурс
Добро пожаловать в мир накопителей enterprise-класса. Ставки здесь выше, чем в случае SSD для настольных ПК и лэптопов, и это не только слова. Во многих серверах используются жёсткие диски с интерфейсом SAS, испытанные в самых тяжёлых условиях, однако внедрение технологии SSD сулит столь ощутимый выигрыш в производительности, что это никак нельзя оставить без внимания. Переход на SSD может показаться затратной и не всегда обоснованной инвестицией, но в тех сферах использования, где основная нагрузка сводится к случайным операциям ввода/вывода, один-два твердотельных диска способны заменить целый RAID-массив на основе жёстких дисков: зачастую получается дешевле, чем соответствующий по производительности RAID-массив – как по стоимости самих накопителей, так и по затратам, связанным с обслуживанием сервера.
Когда речь идёт о настольных ПК, то существуют производители, которые предлагают лучшие конструктивные решения и используют качественную флэш-память, а есть такие производители, которые используют чуть ли не отходы производства. Но когда мы говорим о корпоративных системах хранения данных, компромиссы между надёжностью и ценой недопустимы. Перезапись сотен, тысяч терабайт предполагает использование дорогостоящей памяти eMLC или SLC. Производителей, которые предлагают накопители такого класса, можно пересчитать по пальцам.
Конечно, сам факт, что количество компаний, выпускающих SSD enterprise-класса столь ограничено не означает отсутствие жёсткой конкуренции. Крупные предприятия покупают диски тысячами и могут раскошелиться на железо, которое обеспечит высокую производительность и надёжность. Что касается Toshiba, то эта компания имеет богатый опыт в производстве жёстких дисков и флэш-памяти, и это даёт нам уникальный шанс оценить возможности, которыми располагают SSD enterprise-класса.
Мы рассмотрим эти возможности на примере флагманской серии MKx001GRZB. Данная серия включает модели ёмкостью 100, 200 и 400 Гбайт, которых отличают весьма продвинутые технические возможности, редко встречающиеся вместе: интерфейс SAS 6 Гбит/с и флэш-память SLC NAND.
Спецификации Toshiba MKx001GRZB | |||
MK1001GRZB | MK2001GRZB | MK4001GRZB | |
Общий объём памяти | 128 Гбайт | 256 Гбайт | 512 Гбайт |
Доступный объём памяти | 100 Гбайт | 200 Гбайт | 400 Гбайт |
Общие характерисики | |
Интерфейс SAS | 6 Гбит/с |
Размер сектора | 512, 520, 528 |
Последовательное чтение | 500 Мбайт/с |
Последовательная запись | 250 Мбайт/с |
Случайные операции по 4 кбайт (чтение) | 90 000 операций/с |
Случайные операции по 4 кбайт (запись) | 16 000 операций/с |
Потребление энергии (под нагрузкой) | 6,5 Вт |
Гарантия | 5 лет |
По сравнению с тем, что мы привыкли видеть в спецификациях самых быстрых из современных SSD для настольных ПК, характеристики накопителей Toshiba серии MKx001GRZB не особо впечатляют, прежде всего в отношении последовательной и случайной записи. Тем не менее, скорости чтения, в среднем, идут на равных с самыми быстрыми на сегодня дисками на базе MLC-памяти с интерфейсом SATA 6 Гбит/с (это означает, что по пропускной способности при чтении накопители приближаются к пределу возможностей обоих интерфейсов). Что касается производительности случайного чтения, то можно встретить SSD, который обеспечивал бы свыше 80 000 операций в секунду. Таким образом, накопитель Toshiba обеспечивает здесь и вовсе выдающийся результат.
В дополнение к более высоким технических характеристикам, представители серии MKx001GRZB даже внешне не похожи на обычный твердотельный диск для настольного ПК в форм-факторе 2,5″. Накопитель имеет высоту 15 мм – тот же форм-фактор, что и текущее поколение жёстких диском 2,5″ со скоростью вращения шпинделя 10 000 и 15 000 об/мин. Как мы видим, для накопителя enterprise-класса допустимо обеспечить максимальную плотность накопителей в рамках занимаемого пространства.
Внутри более крупного корпуса Toshiba размещает пару плат, связанных между собой с помощью проприетарного разъёма. На одной из плат находится восьмиканальный SAS-контроллер Marvell 88SS9032-BLN2, кэш-память и шесть модулей SLC NAND. На другой печатной плате размещены десять модулей SLC NAND и четыре плоских конденсатора большой ёмкости (на оборотной стороне). Поскольку здесь используется более плотная и сложная конструкция, чем мы привыкли видеть в большинстве SSD, каждый компонент покрыт тепловой площадкой, отводящей тепло на металлический корпус накопителя.
В накопителях данной линейки используется память NAND, которая производится компанией Toshiba по 32-нм техпроцессу. В представленном на тестирование накопителе объёмом 400 Гбайт каждый модуль NAND имеет ёмкость 32 Гбайт. Всего таких модулей 16, что даёт общую ёмкостью накопителя 512 Гбайт. Таким образом, для обеспечения “перекрытия данных” (overprovisioning) отводится 28% дискового пространства, что типично для накопителей данного класса.
Ресурс накопителя: MLC, eMLC или SLC?
Срок службы – термин, вокруг которого было много споров применительно к SSD, так как всех нас волнует, где же находится тот рубеж, пройдя который мы более не можем быть уверены в надёжном хранении данных. Если вы используете SSD в ноутбуке или обычном настольном ПК, срок службы диска не является столь серьёзной проблемой. Маловероятно, что вы будете перезаписывать данные на диске целый день и каждый день, что могло бы привести к преждевременному износу ячеек памяти NAND, которые имеют ограниченный ресурс циклов перезаписи. Гораздо вероятнее столкнуться с ошибкой микропрограммы во время операции обращения к данным, но и такое встречается весьма нечасто.
25-нм память NAND от IMFT (Intel Micron Flash Technologies)
Но для накопителя enterprise-класса срок службы – намного более критичный параметр. В зависимости от интенсивности нагрузки на сервер, многие сервера постоянно читают или пишут данные – изо дня в день. На обычном жёстком диске надёжность определяют иные факторы: поломки почти всегда связаны с механикой. Когда же дело доходит до SSD, критичным становится гарантированное число циклов перезаписи, которое приводит для своих продуктов каждый производитель чипов NAND. Память eMLC и SLC обеспечивает максимальное количество циклов перезаписи, поэтому именно эти две разновидности флэш-памяти нашли применение в SSD-накопителях enterprise-класса.
Это не означает, что накопители на MLC-памяти не пригодны для профессионального использования. Мы беседовали со специалистами из нескольких дата-центров, в которых накопители Intel X25-M и
Оценка ресурса твердотельного диска
Прежде чем перейти к количественной оценке ресурса (срока службы) флэш-памяти, выполненной по разным технологиям, мы хотел бы сказать несколько слов о нашей методологии. Наши оценки основываются на мониторинге индикатора износа накопителя (Media Wear Indicator – MWI), который варьируется от 100 до 1. Поскольку число циклов перезаписи каждой ячейки NAND ограничено, MWI позволяет получить грубую оценку текущего ресурса накопителя.
В теории, как только ресурс накопителя по счётчику MWI подойдёт к концу, перезапись ячеек памяти на таком накопителе может привести к ошибке. Это не означает, что как только вы исчерпаете ресурс, при перезаписи произойдёт что-то нехорошее. Но никто не сможет доверить запись важных данных на диск, ресурс которого исчерпан. Естественно, корпоративные клиенты уделяют значительное внимание оценке MWI, так как она позволяет ограничить некую “безопасную зону”.
Рейтинг ресурса накопителя (последовательная нагрузка, глубина очереди составляет 1) | Intel SSD 320 | Intel SSD 710 | Toshiba MK4001GRZB |
Тип NAND | Intel 25 нм MLC | Intel 25 нм eMLC (HET) | Toshiba 32 нм SLC |
Общая ёмкость накопителя | 320 Гбайт | 320 Гбайт | 512 Гбайт |
Доступная ёмкость | 300 Гбайт | 200 Гбайт | 400 Гбайт |
%% “перекрытия” (overprovisioning) | 7% | 60% | 28% |
Количество циклов перезаписи | 5 460 | 36 600 | 225 064 |
Количество циклов перезаписи (без учёта “перекрытия”) | 5 119 | 22 875 | 175 831 |
Объём операций записи на 1% от MWI | 16,38 Тбайт | 73,20 Тбайт | 900,2 Тбайт |
Согласно спецификациям Toshiba, модель MK100GRZB объёмом 100 Гбайт имеет рейтинг надёжности 8,2 Пбайт. Каждый вендор использует собственный метод оценки долговечности, поэтому сложно сравнивать надёжность SSD между разными марками и моделями. Наши значения предполагают последовательную нагрузку – таким образом, случайные операции игнорируются. Тем не менее, такой подход позволяет сделать хотя бы академическое сравнение между различными SSD и типами NAND.
Взглянем на цифры. Их вполне достаточно, чтобы отчётливо понять, почему SLC-память остаётся самым надёжным вариантом. Да, это самый дорогой тип памяти, но он может предложить намного большее количество операций перезаписи по сравнению с памятью MCL. Если не учитывать эффект “перекрытия”, память SLC NAND Toshiba приближается к 175 000 циклов перезаписи, что в 58 раз выше по сравнению с 25-нм памятью Intel MLC NAND, имеющей около 5 000 циклов перезаписи.
Напомним, что количество циклов перезаписи относится к каждой ячейке флэш-памяти. Но поскольку SSD большего объёма включает большее количество чипов NAND (и, соответственно, намного больше ячеек памяти), запись каждой ячейки занимает больше времени. В результате, накопители большего объёма отличаются более высоким рейтингом надёжности. Если посчитать, модель MK4001GRZB (400 Гбайт) позволяет последовательно записать 88 Пбайт данных. Это исключительно высокий показатель. И, возможно, именно по этой причине Toshiba не приводит официальный рейтинг для накопителей объёмом более 100 Гбайт. Вместо этого модели ёмкостью 200 и 400 Гбайт идут с гарантией, что вы не будете испытывать проблем с ними на протяжении пяти лет (звучит, в самом деле, многообещающе).
Тестовый стенд и бенчмарки
Конфигурация тестового стенда | |
Процессор | Intel Core i5-2400 (Sandy Bridge), 32 нм, 3.1 ГГц, LGA 1155, 6 Мбайт общего кэша L3, режим Turbo Boost включён |
Материнская плата | Gigabyte GA-Z68X-UD7-B3 |
Память | Kingston Hyper-X 8 Гбайт (2 x 4 Гбайт) DDR3-1333 @ DDR3-1333, 1.5 В |
Системный накопитель | OCZ Vertex 3 240 Гбайт SATA 6 Гбит/с |
Тестируемые диски | Intel SSD 710 200 Гбайт SATA 3 Гбит/с, версия прошивки: –
Intel SSD 320 300 Гбайт SATA 3 Гбит/с, версия прошивки: – Intel SSD 520 240 Гбайт SATA 6 Гбит/с, версия прошивки: – Toshiba MK4001GRZB 200 Гбайт SAS 6 Гбит/с, версия прошивки: – |
Видеокарта | Palit GeForce GTX 460 1 Гбайт |
Блок питания | Seasonic 760 Вт, 80 PLUS Gold |
Системное ПО и драйверы | |
Операционная система | Windows 7 x64 Ultimate |
Версия DirectX | DirectX 11 |
Драйверы | Graphics: Nvidia 270.61 RST: 10.6.0.1002 Virtu: 1.1.101 |
Тестовое ПО | |
Iometer 1.1.0 | # Workers = 4, 4-кбайт случайные операции: LBA= весь диапазон, 128 кбайт и 2 мбайт последовательные операции |
Тестирование серверных приложений: сценарии Iometer | |||
Чтение | Случайных операций | Размер блоков данных | |
Базы данных | 67% | 100% | 8 кбайт – 100% |
Файловый сервер | 80% | 100% | 512 байт – 10% 1 кбайт – 5% 2 кбайт – 5% 4 кбайт – 60% 8 кбайт – 2% 16 кбайт – 4% 32 кбайт – 4% 64 кбайт – 10% |
Веб-сервер | 100% | 100% | 512 байт – 22% 1 кбайт – 15% 2 кбайт – 8% 4 кбайт – 23% 8 кбайт – 15% 16 кбайт – 2% 32 кбайт – 6% 64 кбайт – 7% 128 кбайт – 1% 512 кбайт – 1% |
Мы использовали SAS-контроллер 9211-8i HBA производства LSI для тестирования накопителя Toshiba. Без данного контроллера мы не смогли бы сформировать сколь-нибудь значимые данные по надёжности для памяти SLC NAND. В нашей тестовой лаборатории имелись другие карты SAS, но они являются аппаратными RAID-контроллерами, что, как правило, означает отсутствие возможности использовать мониторинг SMART в случае раздельного использования. Кроме того, Toshiba и другие производители рекомендуют решения LSI для целей тестирования, так как эти контроллеры наиболее популярны в enterprise-сегменте.
Тестирование накопителей enterprise-класса: отдельный мир
Точно так же, как процессоры для серверов и рабочих станций необходимо тестировать иначе, чем настольные CPU, накопители enterprise-класса предполагают специфический подход к тестированию.
Мы приводим слайд, опубликованный на прошлогодней конференции “Flash memory Summit”, проходившей в г. Санта-Клара (Калифорния). Особенностью накопителей enterprise-класса является полная загрузка и, зачастую, круглосуточный беспрерывный доступ. По этой причине производительность нового диска “из коробки” или в burst-режиме не играет особой роли. У накопителя слишком мало времени на “отдых”, чтобы он обрабатывал “сборку мусора” в фоновом режиме или выполнял команду TRIM для восстановления первоначальной производительности. При таком профиле нагрузки типичная производительность SSD будет заметно ниже, чем в начале использования.
Несомненно, мы должны использовать особую методику тестирования, чтобы оценить типичную производительность накопителя. Задача в том, чтобы тестировать накопитель в тот момент, когда его производительность более не меняется с течением времени. Представленный выше график иллюстрирует, как после некого периода использования производительность нового SSD “из коробки” падает до уровня, типичного для повседневного использования.
Чтобы достигнуть такого типичного состояния, мы определённым образом подготовили наши SSD, прежде чем запускать наши серверные бенчмарки. Но поскольку для каждого накопителя имеется своя собственная точка перехода к “типичной производительности” (и поскольку результат также зависит от типа нагрузки), мы заострили внимание на двух типах условий:
- Для случайных операций блоками по 4 кбайт, сценарии работы сервера базы данных, файл-сервера, веб-севера – мы трижды полностью заполняли диск с помощью случайных операций записи.
- Для последовательных операций по 128 кбайт – мы трижды заполняли полностью диск посредством последовательных операций.
Производительность случайных операций блоками по 4 кбайт
Intel, несомненно, пользуется авторитетом среди IT-профессионалов, которые покупают SSD enterprise-класса. Делая акцент на надёжности накопителей, компания Intel завоевала столь высокую репутацию, что накопители настольного класса весьма часто находят применение в определённых серверных конфигурациях. Таким образом, мы сочли уместным включить в наш тест накопители Intel серии
Скорость случайной записи
Благодаря контроллеру SandForce второго поколения,
Как только мы достигаем типичного уровня производительности, по среднему времени отклика для случайных операций по 4 кбайт Micron P300 лишь слегка уступает
При тех же тестовых условиях по пиковому времени отклика накопитель Toshiba явно выходит вперёд. Согласно нашим замерам, максимальная задержка отклика
Мы и не стремились выявить слабые места накопителей Intel в данном контексте, однако результат относительно нового
Производительность случайных операций блоками по 128 кбайт и 2 Мбайт
На глубине очереди, равной единице, накопитель Toshiba обеспечивает скорость последовательной записи лишь чуть выше 200 Мбайт/с, показывая результат на одном уровне с Intel
В сценариях использования сервера, где основной объём операций связан с чтением данных, Intel
Скорость последовательной записи блоками по 128 кбайт стабилизируется на глубине очереди в две операции для всех накопителей, участвующих в нашем тесте, но между моделями существуют принципиальные различия в результатах.
Интересно, что накопители Intel
Переход на блоки большего размера, делает эффект воздействия глубины очереди менее значительным. Работая с блоками по 2 Мбайт, Intel
Накопитель Toshiba не занял первое место в данном тесте, но он по-прежнему опережает Micron P300, который остановился на результате 450 Мбайт/с.
График производительности последовательной записи по 2 Мбайт весьма напоминает результаты при использовании блоков по 128 Кбайт: глубина очереди практически не оказывает влияния на производительность.
Если же говорить о накопителях, более приспособленных для серверных задач, то Micron P300 обеспечивает здесь лучший результат, показав скорость 350 Мбайт/с. Что касается
Потребление энергии
Так как предполагается, что SSD-накопители в составе корпоративного сервера будут работать 24 часа семь дней в неделю, уровень потребления энергии в режиме простоя не является столь же важным параметром, как в случае настольного ПК или ноутбука. Тем не менее, интересно, что твердотельный диск Toshiba – единственный накопитель в нашем обзоре, потребляющий более 1 Вт, не производя вообще никакой работы.
При обработке запросов случайного доступа по 4 кбайт,
При переходе к последовательной нагрузке,
Подобная ситуация наблюдается и в тесте на последовательное чтение. P300 превосходит
Использование блоков данных большого размера не сказывается существенным образом на уровне энергопотребления. На глубине очереди, равной восьми, мы видим примерно одинаковый результат при работе с блоками по 128 кбайт и 2 Мбайт. Таким образом, можно сделать и аналогичные выводы относительно эффективности данных накопителей.
Тестирование в режимах имитации работы сервера
Наш последний пакет синтетических тестов подвергает каждый SSD нагрузке, типичной для работы сервера базы данных, файлового сервера и веб-сервера – в соответствии со специфическими профилями работы сервера в Iometer.
Сценарий работы сервера базы данных (также характеризуемого как процесс обработки транзакций) исключительно чисто случайные операции ввода/вывода. Этот сценарий на 67% состоит из операций чтения и на 33% – из операций записи, при работе с блоками по 8 кбайт.
Несмотря на то, что случайные операции являются сильной стороной накопителя Toshiba, Intel
В сценарии работы файлового сервера, где также превалируют случайные операции, ещё большая роль отводится операциям чтения. Тем не менее, разрыв между Intel
Сценарий работы веб-сервера полностью состоит из случайных операций чтения данных. Если мы вернёмся к первому тесту в данном обзоре (производительность случайного чтения блоками по 4 кбайт), где накопитель Toshiba является абсолютным лидером, то это позволит легко понять, по какой причине
MK4001GRZB : превосходный ресурс, быстрое чтение, медленная запись
IT-менеджеры, принимающие решения для больших предприятий, не просто читают обзоры и закупают накопители ящиками. Скорее, они проводят недели и месяцы, отрабатывая новые технологии на изолированных серверах, испытывая их на практике, прежде чем внедрять эти технологии в критически важных областях. Во многих чувствительных в отношении производительности сценариях нагрузки SSD имеют ощутимое преимущество. Они даже могут помочь сэкономить деньги, так как всего один SSD может заменить целый массив жёстких дисков. Но надёжность в данном контексте имеет первостепенное значение и, следовательно, ресурс накопителя привлекает столь же пристальное внимание.
В результате, трудно выработать финальную оценку SSD enterprise-класса. В данном случае производительность – это не единственный критерий, как в случае дисков для настольных ПК. Скорее, производительность важна наравне с безопасностью хранения данных, а последняя – весьма сложный объект с точки зрения количественной оценки.
Мы можем оценить производительность накопителя за пару дней, даже если взять за основу типичную производительность, а не результаты нового диска. И если единственное, что вас интересует, это чистая производительность, то мы можем сделать вывод, что
Оценка надёжности накопителя – это главная проблема. С точки зрения статистики, нескольких отзывов от той или иной компании недостаточно, чтобы на их основе делать выводы, на основе каких накопителей разворачивать сервер. Чтобы действительно оценить надёжность, необходимо изучать статистику отказов большого количества накопителей, которые используются в аналогичном сценарии нагрузки. Связано это с тем, что твердотельные диски по-разному ведут себя в зависимости от типа нагрузки, что нельзя сказать о жёстких дисках. Прямо сейчас производители, похоже, готовы приводить данные лишь по статистике отказов от дистрибуторов, что вовлекает в рассмотрение малую часть случаев отказа. Несомненно, полноценный анализ надёжности SSD потребовал бы намного больше времени, что мы видим на примере исследования компании Google, которое может дать нам больше ясности при сравнении надёжности SSD и жёстких дисков.
Ресурс накопителя соотносится с надёжностью, но, конечно, не только (и, более того, не столько) ресурс определяет надёжность. Возможно протестировать и оценить номинальную долговечность SSD, используя таблицы SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) и немного математики. Чтобы дать вам представление о том, каков ресурс накопителя Toshiba, нам пришлось записывать данные на него в течение 41 дня, 24 часа в день, чтобы показатель MWI понизился на 1%. В ходе данного процесса мы записали примерно 900 Тбайт данных. Но этот результат относится лишь к последовательной нагрузке. Оценка ресурса для случайных операций требует отдельного теста, так как в этом случае выше эффект усиления записи (write amplification). Мы не уверены, сколько времени занял бы подобный тест, возможно, речь идёт о трёх-четырёх месяцах.
В результате, наши выводы здесь не будут в полной мере подкреплены фактами, чем если бы мы проводили тест в течение нескольких месяцев или даже лет. Но нам неизбежно пришлось пойти на компромисс, чтобы подготовить данный обзор в установленные сроки. Эта тема могла бы стать отличным объектом для постоянного обновлениях данных, когда мы регулярно пересчитывали бы ресурс накопителя с учётом обновления MWI. Увы, накопитель стоимостью свыше $7000 мы не могли держать в своей лаборатории слишком долго и, вполне понятно, что компания Toshiba хотела получить его от нас назад как можно раньше.
В конечном итоге, основываясь на результатах наших тестов, мы можем заключить, что твердотельный диск