Как SSD влияют на производительность систем хранения данных — THG.RU

Революция в сфере накопителей для бизнеса

Почти каждую неделю выходит новый SSD, из-за этого рынок остаётся в нестабильном состоянии. Твердотельные накопители приходят и уходят, но только некоторые из них, такие как Intel, заслуженно остаются.

Такие поставщики как Micron, Indilinx и SandForce также добились впечатляющего прогресса.

SSD предлагают и такие производители как Toshiba и Western Digital, несмотря на то, что им немного не хватает сил.

Одна из новинок от Samsung 470-й серии первой включила поддержку DDR режима для SSD. Это увеличивает производительность за счёт той же двойной скорости передачи данных, знакомой нам по ОЗУ компьютера. Это даёт нам серьёзное основание взять и установить два таких SSD вместо внушительного RAID массива с жёсткими дисками со скоростью вращения шпинделя 15000 об/мин.

Насколько быстры SSD?

То, что SSD явно превосходят жёсткие диски, уже давно не новость. Энтузиасты и IT работники также осознают ценность производительности в 200 Мбайт/с, сниженного энергопотребления, физической прочности. Настоящие технические специалисты смогут разобраться в архитектурных деталях кэширования, TRIM и RAID поддержке. Всё это создаёт существенные различия в производительности накопителей.

Новые SSD 470-й серии от Samsung являются отличной базой для сравнения твердотельных накопителей и серьёзных RAID массивов, так как отражают последние достижения в области flash накопителей для ПК.

В этой статье мы сравним два RAID массива, состоящих из восьми и четырёх жёстких дисков от Fujitsu MBA3147RC со скоростью вращения 15000 об/мин., использующих SAS RAID контроллер корпоративного класса, и два SSD по 256 Гбайт от Samsung. Все установки используют RAID 0 для максимизации производительности.

SSD разработки

Обсуждая производительность SSD важно определить, что такое производительность. Термин используется либо для измерения скорости, либо для определения таких показателей, как потребляемая мощность, эффективность или КПД на ватт. В сегменте хранения данных производительность на доллар или на ватт может стать ключевым показателем, в то время как для самых производительных систем, особенно на предприятиях, выгодна скорость ввода/вывода на ватт.

Потребители, прежде всего, будут обращать внимание на пропускную способность, которая колеблется от 180 Мбайт/с до более чем 300 Мбайт/с для последовательного чтения и от 80 Мбайт/с до 300 Мбайт/с для последовательной записи. Большинство моделей ограничено интерфейсом SATA на 3 Гбит/с с пиковой производительностью менее чем 300 Мбайт/с. Даже некоторые диски с интерфейсом на 6 Гбит/с не всегда являются выходом из ситуации, так как скорость ввода/вывода не соответствует пропускной способности интерфейса. Как говорится не важно, сколько лошадиных сил под капотом, если вы застряли в «пробке».

Большинство SSD основано на мультиканальной архитектуре, сочетающей различные линии flash памяти для увеличения производительности. Благодаря этому увеличивать пропускную способность интерфейса необязательно. Единственное, что остается улучшить – сама flash память.

Что заставляет выпускать больше flash памяти?

Источник: Samsung

Как видно из показателей Samsung, доля SSD в использовании NAND flash памяти достигла почти 10%. Прогноз показывает, что к 2012-му году доля SSD на NAND flash рынке составит почти 20%. Единственный сегмент рынка, который должен достигнуть ещё большего подъёма — это ультрамобильные устройства, блокноты и смартфоны.

Производительность: следующие шаги

Источник: Samsung

Вышепредставленная диаграмма также взята из презентации Samsung. Какое отношение она имеет к производительности? Она отражает возможности DDR NAND flash по сравнению с традиционной SDR flash продукцией. Благодаря этой технологической модификации, Samsung констатирует рост скорости ввода/вывода с 10% до 35%. Имейте в виду, что увеличения пропускной способности вы не увидите, но количество отдельных операций возрастёт.

Жёсткий диск или SSD? SSD 470-й серии от Samsung всего лишь 7мм в высоту, а высота обычного жёсткого 2.5 дюймового диска — 9.5мм.

SSD: Samsung 470-й серии (MZ-SPA256, 256 Гбайт)

В семействе Samsung 470-й серии первым реализован режим переключения NAND Flash памяти, передающий данные в начале и в конце каждого тактового сигнала, эффективно удваивая пропускную способность интерфейса. Как вы знаете из истории развития запоминающих устройств, внедрение DDR SDRAM практически удвоило производительность памяти. Однако скачок производительности в теории, принёс меньшую пользу в реальности. Нечто похожее можно ожидать от flash продукции с режимом переключения.

Новые накопители поставляются с объёмом памяти на 64, 128, и 256 Гбайт с пропускной способностью 250 Мбайт/с для последовательного чтения и 220 Мбайт/с для последовательной записи. Samsung отмечает тот факт, что высота устройства снижена с 9.5мм до 7мм. Это может помочь при строительстве систем с высокой плотностью хранения данных.

Контроллер Samsung — это многоядерное устройство. Архитектура основана на выделенном DRAM буфере, предназначенном для выравнивания износа. Рабочий ресурс в 1.5 миллиона часов и гарантия на три года выглядят довольно выгодно для потребителей, но, по сути — это минимальные требования для фирменного изделия. Рекомендуемая розничная цена от Samsung: $699, $399 и $199 за модели объёмом 256, 128 и 64 Гбайт соответственно

HDD: Fujitsu MBA3147RC (147 Гбайт, 15 000 об/мин)

MBA3147RC от Toshiba (ранее Fujitsu) является одним из последних 3.5” HDD со скоростью 15000 об/мин. и SAS с интерфейсом 3 Гбит/с. В нашу тестовую лабораторию попало восемь таких жёстких дисков, хотя Hitachi и Seagate выпускают и более новые диски. Мы решили, что они по-прежнему используются в условиях современного бизнеса, поскольку скорость ввода/вывода не сильно увеличилась за последнее время. Помимо использованных нами моделей на 147 Гбайт также выпускаются версии на 74 Гбайт и 300 Гбайт. Все они поставляются с буфером на 16 Мбайт, 1.4 миллионным рабочим ресурсом и пятилетней гарантией.

Максимальной скоростью передачи данных в 120 Мбайт/с уже никого не удивить: не так давно жёсткие диски достигли скорости 200 Мбайт/с. Однако скорость ввода/вывода всё ещё близка к той, которую вы получили бы от более актуальных дисков на 15 000 об/мин. Кроме того, объединение четырёх или восьми жёстких дисков в RAID массив естественно увеличивает общую производительность. Но даже использование ещё более быстрых дисков не сократит уже образовавшийся значительный разрыв в производительности между HDD и SSD.

Может ли RAID превзойти SSD?

LSI MegaRAID SAS 9260-8i

Ознакомьтесь со статьей «Новый рекорд пропускной способности 3,4 Гбайт/с: массив из 16 SSD Intel X25-E», где используется данный контроллер.

RAID накопители: четыре и восемь MBA3147RC SAS

Мы использовали RAID 0 из четырёх и восьми жёстких дисков, подключённых к вышеупомянутому LSI RAID контроллеру. Сразу можно сказать, что по пропускной способности жёсткие диски должны опередить два SSD, но в самом важном для нас, то есть в скорости ввода/вывода, HDD могут оказаться слабее.

Один из рассматриваемых пунктов – энергопотребление. Были использованы наши стандартные тесты потребления мощности: «бездействие», «рабочая станция» и «потоковое видео», но при этом стоит задача отследить реальное потребление мощности системы. Учитывая это, мы используем материнскую плату Supermicro X58 корпоративного класса и мощный (но не слишком эффективный) блок питания, что отражает реальное потребление для рабочей станции примерно двухлетней давности.

Результаты тестов явно различаются, начиная с 133 Вт с двумя SSD в бездействии и заканчивая 229 Вт с восемью жёсткими дисками со скоростью 15000 об/мин. при активном пользовании. Удивительно, но разница между минимальным и пиковым потреблением мощности при интенсивной нагрузке на накопитель не сильно различалась. Зная это, результаты производительности на ватт откровенно впечатляют. А сейчас давайте взглянем на результаты.

Тестовая конфигурация

Результаты тестирования: время входа и 4К произвольное чтение/запись

Время доступа

По результату теста видно, что на большинстве flash SSD время доступа практически равно нулю. Имейте ввиду, что эти жёсткие диски из числа самых быстрых по скорости доступа и ввода/вывода, но 0.22 мс. на Samsung 470-й серии и 6 мс на жёстких дисках от Fujitsu — это огромная разница.

По времени доступа при записи они близки, в основном, из-за LSI контроллера, помогающего оптимизировать время доступа при записи на жёсткие диски.

Производительность 4К произвольного чтения/записи и ввода/вывода.

Чтение или запись блоков на 4 кбайт в произвольном порядке остаётся одним из важнейших тестов, потому что блоки на 4 кбайт распространены в страницах памяти и кластерах файловой системы x86.

В произвольном чтении SSD очень быстры, особенно те, которые оборудованы многоуровневыми NAND flash ячейками. Мы видим это при тестировании RAID массива из двух SSD, который оказался в 25 раз быстрее, чем восемь жёстких дисков со скоростью вращения шпинделя 15000 об/мин.

Произвольная запись для MLC SSD оказалась более сложной задачей. Запись вызывает цикл «запись – стирание – изменение – запись», даже если в большем блоке изменяется только 4Кбайт. Это занимает время, поэтому производительность SSD только в 2.2 раза быстрее, чем у обычных жёстких дисков.

Результаты тестирования: пропускная способность и потоковое чтение/запись

Эти результаты не стали для нас неожиданностью. По пропускной способности RAID массив жёстких дисков быстрее, но только потому, что в нём восемь накопителей. Несмотря на это, два SSD постоянно поддерживают уровень пропускной способности 530 Мбайт/с, в то время, как на жёстких дисках он снижается до 430 Мбайт/с.

Благодаря возможностям кэширования контроллера, скорость записи оказалась на удивление высокой. Для получения реальных данных обратите внимание на средние и минимальные показатели.

Ограничение производительности интерфейса можно увидеть, когда происходит чтение из кеш памяти RAID контроллера. Фактически, эти цифры хороши для анализа, но хотелось бы видеть их в реальности.

Результаты тестирования: производительность ввода/вывода

Этот тест действительно важен для лидирующих и бизнес-ориентированных машин. Заметьте, что наша система не оптимизирована ни для SSD, ни для жёстких дисков. Как правило, перепрошивка контроллера добавляет немного производительности.

В сценарии теста баз данных заложено множество операций чтения и записи, и он показывает, что два SSD в 2.4 раза быстрее, чем RAID массив из восьми жёстких дисков.

Результаты тестирования «файловый сервер» схожи с результатами предыдущего теста.

Тестирование «веб-сервер» включает в себя только произвольные операции чтения в блоках разного размера, пытаясь съимитировать высокие нагрузки сервера. В этом случае производительность SSD не зависят от длительности операций чтения и полностью они раскрывают свой потенциал. Так что при переходе с восьми HDD на два RAID 0 SSD наблюдается увеличение производительности ввода/вывода в 12 раз.

Результаты тестирования: PCMark Vantage — производительность приложений

PCMark Vantage отражает типичное использование компьютера для мультимедиа. Тем не менее, важно знать, насколько увеличится производительность в реальной жизни, если перейти от восьми RAID HDD к массиву из двух SSD.

Трёхкратный прирост производительности при запуске Windows ошеломляет с учётом того, что количество накопителей снижено с восьми (четырёх) до двух.

Результаты тестирования: требования к питанию

С двумя SSD энергопотребление при бездействии было невероятно низким и практически достигло уровня настольного ПК. Использование нескольких жёстких дисков повысило общее энергопотребление системы почти на 100 Вт! Также разница проявлялась при использовании различных блоков питания. Результаты теста показывают, что разница в потребляемой энергии между двумя SSD и группой HDD настолько велика, что съэкономленную энергию можно использовать для питания ещё одного компьютера.

Активное использование дисков вызывает относительно небольшое увеличение энергопотребления.

Результаты тестирования: производительность на ватт

В наши дни энергоэффективность очень важна. Поскольку цены на энергию постоянно растут, всё больше и больше людей хотят максимальной производительности при минимальном энергопотреблении. Сокращение энергопотребления на охлаждение также приносит пользу. Давайте проведём соотношение производительности и энергопотребления для каждой из наших конфигураций.

Мы заметили, что RAID массив из восьми дисков предоставляет максимальную пропускную способность почти 1 Гбайт/с, но для работы системы требуется значительно больше энергии. В то же время наша система с двумя SSD достигает пропускной способности всего 530 Мбайт/с, но при этом требует существенно меньшей энергии. Учитывая то, что 530 Мбайт/с на SSD держится постоянно, а пропускная способность массива жёстких дисков может упасть. С уверенностью можно сказать, что выбор SSD предпочтительнее, за исключением тех случаев, когда вам действительно нужна очень высокая скорость.

Так как энергопотребление системы с SSD заметно уменьшилось, а производительность ввода/вывода сильно увеличилась (в 2 – 12 раз), энергоэффективность ввода/вывода рабочей станций с SSD в пять раз выше. Если взглянуть на энергоэффективность на уровне накопителя, то разница будет ещё существеннее. А теперь попробуйте представить, какова будет энергоэффективность, если соотнести результаты производительности ввода/вывода главного для SSD теста «веб – сервер» и уменьшенное энергопотребение. Мы не производили расчетов, но вполне возможно, что энергоэффективность SSD больше в 20 – 30 раз.

Заключение

Как и ожидалось, RAID 0 из двух твердотельных накопителей легко превзошел массив из четырёх и восьми 3.5” SAS жёстких дисков со скоростью вращения шпинделя 15000 об/мин. SSD показали себя лучше почти во всех тестах, за исключением теста пропускной способности, в котором обычно выигрывает количество используемых накопителей. За счёт количества жёсткие диски здесь явно победили.

Стоит отметить, что существуют более быстрые и, отчасти, более эффективные жёсткие диски, которые могут немного сдвинуть результаты в пользу HDD RAID массивов. Всё же разница достаточно велика, для того, чтобы быть уверенными: как бы мы не настраивали жёсткие диски они всё равно не смогут обогнать быстрые и эффективные SSD массивы. К тому же после того, как мы рассказали о наших планах, производители жёстких дисков отказались предоставить накопители. Поэтому нам пришлось использовать Fujitsu на 15000 об/мин. Этот факт уже говорит о многом.

Несмотря на то, что был использован комплект SSD, основанных на новейшей технологии, вводящей DDR в сферу твердотельных накопителей, результаты можно считать отображением современной позиции SSD в целом. Мы наблюдали 12-ти кратное увеличение производительности операций ввода/вывода. Кроме того, энергоэффективность может возрасти в несколько раз и даже больше, если просто сравнивать показатели на уровне накопителей.

SSD накопители…сейчас?

В конце концов, вы должны решить, настало ли время для использования SSD вместо HDD накопителей, путем проверки сценариев, отражающих работу жёстких дисков. При этом критически важные системы могут иметь строгие требования проверки. Конфигурация может ограничиваться по стоимости или по ёмкости, которые имеют приоритет над производительностью операций ввода/вывода.

С точки зрения стоимости, 699$ за высококлассный SSD на 256 Гбайт – это все ещё дорого, по сравнению с высокоскоростным SAS HDD на 300 Гбайт за менее чем 300$. Но 399$—это довольно разумная цена за такой же быстрый SSD на 128 Гбайт. Однако, как только вы начинаете процесс обьединения систем хранения данных, признаёте долгосрочное энергосбережение и заинтересованы в выполнении большого объёма работ за малый промежуток времени, всё больше начинает привлекать идея использования SSD-ориентированных машин.