Download - De opkomst van Solid State Disks
Ten eerste de dalende prijs van FLASH chips, ten tweede de toenemende
prestatieproblemen als gevolg van I/O-fl essenhalzen binnen data centers.
Daarbij moeten we denken aan tijdkritische applicaties, relationele data-
bases en sinds kort ook virtuele omgevingen. Het toenemende verschil in
prestaties tussen processor en disktoegangstijden is namelijk een van de
belangrijkste oorzaken van deze ontstane bottlenecks. Want ook al wor-
den processoren steeds sneller, de gemiddelde toegangstijd van disken
neemt nog maar nauwelijks toe. Reden waarom gebruikers steeds vaker
overwegen om een SSD te implementeren voor het oplossen van een I/O
probleem. Naast de betere prestaties kent de SSD een aantal voordelen
ten opzichte van hard disks: minder stroomverbruik, meer betrouwbaar,
minder gewicht, meer schokbestendig en geen last van datafragmentatie.
Naarmate de prijzen van SSDs dalen, wordt het steeds interessanter
om SSDs voor deze specifi eke toepassingen in te zetten. De belang-
rijkste vragen waar de gebruiker zich de komende jaren voor gesteld ziet
is: welk type SSD moet men kiezen, op welke plaats in de IT-architectuur
moet een SSD worden toegepast en in welke situatie moet men over
gaan tot de aanschaf van SSDs? Daarvoor is het van belang dat de
gebruiker de voor- en nadelen kent tussen de verschillende type SSD-
technologieën en toepassingen. Hierna volgt een kort overzicht.
DRAM en FLASH SSDs
Voor SSD worden twee type geheugenchips gebruikt: dynamisch en
statisch random access memory (ram). Het verschil in beide typen ram
heeft betrekking op de manier waarop data wel of niet permanent wordt
opgeslagen (respectievelijk ‘volatile’ en ‘non-volatile’ ram genaamd).
Bij Dynamic Random Access Memory (DRAM) gaat de opgeslagen
informatie verloren zodra de spanning op de geheugenchip wegvalt, dit
in tegenstelling tot Flash chips waarbij de informatie wel bewaard blijft.
De dynamische chips zijn sneller dan de fl ash chips maar wel weer een
stuk duurder en vragen meer stroom. Een ander verschil is dat bij fl ash
chips de toegang serieel gebeurt waardoor altijd een extra fl ash controller
nodig is om de informatie parallel aan de processor aan te bieden.
Type fl ash memory
Er bestaan twee type fl ash memory: NAND en NOR. NOR fl ash wordt
hoofdzakelijk in de consumentenindustrie toegepast, NAND steeds vaker
als component in SSDs voor storage systemen in de enterprise omgeving.
NAND fl ash bestaat in een Single-Level Cell (SLC) en Multi-Levell Cell
(MLC) uitvoering. Van deze twee is SLC sneller en meer betrouwbaar en
heeft een hogere levensduur, MLC echter is weer goedkoper en biedt een
grotere capaciteit. De prestatienadelen, in combinatie met de tienmaal
Case study
Nog niet zo lang geleden behoorde Solid State Disks to de niche producten. De redenen daarvoor waren de hoge aanschafprijs en het beperkte toepassinggebied van SSDs. Als gevolg van twee factoren zijn SSDs de laatste tijd enorm in de belangstelling gekomen.
De opkomst van Solid State Disks
grotere foutfactor, maakt dat MLC minder geschikt is voor enterprise
applicaties; de uitval percentages die door de chipindustrie worden
hanteert zijn 100,000 programmeer/wis of endurance cycles voor SLC
en voor MLC is deze 10,000. SLC wordt op dit moment daarom het
meest toegepast bij SSDs voor enterprise storage. Maar de verhouding
tussen SLD en MLC zou de komende jaren wel eens kunnen veranderen
naarmate fabrikanten van SSDs er in zullen slagen om de controller-
technologie en aanverwante storage management software te verbeteren.
Want, in tegenstelling tot DRAM, is bij de toepassing van fl ash chips in
SSDs een geavanceerde controller nodig die rekening houdt met een
aantal genoemde nadelen van fl ash chips.
Wear-out fl ash chips
Een van de zaken waar een fl ashcontroller rekening moet houden is
het schrijfproces van data naar de fl ash chip. Van te voren moeten
eerst alle bits in een fl ash block (128 tot 256KB groot) worden gewist.
Dit vraagt op termijn zijn tol waardoor de geheugencellen degraderen
en uiteindelijk zullen uitvallen. Beide SLC en MCL fl ash chips maken
wel van geheu-
gencorrectie
algoritmen
gebruik om dit
tijdelijk op te
vangen maar
op termijn zal
de geheugencel
toch uitvallen.
Er zijn gelukkig
allerlei technieken
ontwikkeld die dit
degradatieproces
kunnen uitstellen. Een daarvan is de zogenaamde ‘wear leveling’ waarbij
de fl ash controller in een achtergrondproces het onderliggende fysieke
adres naar de minst beschreven fl ash geheugenchip of geheugenblok-
ken verplaatst. Doordat de controller zelf bijhoudt wanneer geheugen-
cellen gedegenereerd zijn, kan het op een proactieve manier voorkomen
dat chips in een keer uitvallen en er data verminkt wordt. Om de
wear-out gedeeltelijk op te vangen teneinde de levensduur te verlengen
voegen sommige leveranciers van fl ash SSDs extra geheugencapaciteit
toe, tot soms tot wel 20% extra geheugen.
De combinatie van wear leveling en error correction memory (ecc)
technieken hebben er voor gezorgd dat de algemene betrouwbaarheid
van fl ash SSDs de laatste jaren verbeterd is.
IOPS en SSDs
Een vergelijking maken tussen de I/O prestaties van met name fl ash
SSD kan misleidend zijn. Zo verschillen de schrijf- aanmerkelijk met de
leesprestaties. Een vergelijking tussen leesprestaties tussen hard disks
en fl ash SSDs zijn vaak misleidend. Flash SSD hebben vaak betere
toegangstijden maar zijn in algemeen langzamer wat betreft de transfer
rate. Dat betekent dat de bij de evaluatie van SSDs de blockgrootte moet
worden meegenomen. Bij de schrijfprestaties van fl ash SSD ligt de zaak
ingewikkelder. Vanwege de interne structuur van de fl ash chip is het
niet mogelijk om een enkele sector te veranderen. De wijziging moet
worden gecombineerd met een update en compleet wissen van een data
block. Een andere ‘weak spot’ bij veel SSDs treedt op bij gemengde I/O
operaties. In veel ontwerpen is een ‘badkuip’ effect te zien. Benchmarks
laten een bij 50/50 verhouding zien een bodem in de prestatiecurve zien.
Vergelijken we de prestaties van SSDs en HDDs dan is de verwachting
dat hard disk drives nog nauwelijk in IOPs zullen toenemen, die van
SSDs zal de komende jaren uitgroeien tot enkele honderd duizenden
IOPs of meer.
Keuze SSD technologie
Bij de keuze voor een bepaalde SSD technologie is het belangrijk dat de
gebruiker inzicht krijgt in ondermeer de levensduur van de toegepaste
chips en de geleverde prestaties. Vaak worden dezelfde testen onder
dezelfde condities uitgevoerd met SSD als met hard disks. Met name
fl ash-gebaseerde SSDs moeten onder bepaalde condities worden getest,
die niet vergelijkbaar zijn met die van de DRAM SSD en hard disks.
“SSD is interessant in virtuele omgevingen met gededupliceerde images.”
Leveranciers specificeren vaak met de sustained en burst rates van
SSDs, maar zonder de vermelding onder welke testparameters deze tot
stand zijn gekomen moet daar minder waarde aan worden gehecht. De
beste test is natuurlijk om een SSD in de praktijk te testen om te zien of
de verwachte prestaties gehaald worden.
Hybride SSDs
Diverse leveranciers combineren een 3.5” hard disks met een 2.5” SSD
in een bracket. De combinatie moet een prestatieboost opleveren van
maar liefst 70 tot 100%. Het systeem werkt vrij simpel, de HDD kopieert
de meeste data naar de SSD. De laatste wordt gebruikt voor het snel
lezen, terwijl de HDD ondersteunt biedt bij het lezen. Beide kunnen ook
samen worden gebruikt. Een andere toepassing is de combinatie van
MLC en SLC flash geheugen. De filosofie daarachter is om de nadelen
van beide type NAND flash te complementeren met de voordelen. Het
heterogene ontwerp richt zich met name op de plaatsing van de data en
wearleveling techniek. Men claimt dat bij toevoeging van een 256 MB
SLC aan een 20GB MCL flash dat de gemiddelde doorvoer en energie-
verbruik met respectievelijk 17% en 15% verbeterd. De hybride SSD is
slechts 2% duurder dan een puur MLC-flash gebaseerde SSD.
En weer andere toepassing is de combinatie van standaard DDR geheu-
gen met NAND flash op een PCI-E kaart. Een dergelijke hybride drive
is in staat om 300,000+ IOPs te halen. De transfer rate is vanwege de
PCI-E interface beperkt tot slechts enkele honderden MBs.
SSDs en deduplicatie
SSDs kunnen ook worden toegepast bij inline deduplication. Latency,
met name hash table latency, speelt een belangrijke factor in elk
hash-gebaseerd
deduplicatie systeem.
Want, elk I/O naar het
opslagsysteem vraagt
een of meer maal
toegang tot de hash
tabel. Dat betekent
dat elke milli- of
microseconde toe-
gevoegde latency de
prestaties vermindert.
Om de latency te
verminderen kunnen SSDs bij deduplicatie systemen worden toegepast
bij hashing, compressie en encryptie functies.
Toepassingsgebieden SSDs
SSDs worden op verschillende manier in computersystemen en disk
array’s toegepast. Ondermeer als zelfstandige SSDs, als PCIe kaarten, in
een standalone SSD disk array, als frond-end cache systeem, en binnen
een traditionele Fibre Channel disk array ter ondersteuning van een dy-
namische, multi-tier, storage architectuur. Traditioneel werden de DRAM
SSDs ingezet voor hotspots in relationele databases. Veel kritische ap-
plicaties zijn tegenwoordig gebaseerd op relationele databases. Dit wordt
is dan ook nieuw terrein voor de toepassing van (flash) SSDs. Daarnaast
is de virtuele omgeving interessant voor de toepassing van SSDs. Het is
gebleken dat de vele virtuele machines een behoorlijke aanslag zijn op
de I/O capaciteit (en dus de storage array’s) van de server. De inzet van
SSDs kan hier helpen om bijvoorbeeld tijdkritische virtuele disks op een
SSD te plaatsen. Daarnaast zijn er nog talrijke andere gebieden, waaron-
der deduplicatie, backup en disk caching waar SSD nuttig kan zijn.
“SSD dicht het steeds groter wordende gat tussen processoren en disken.”
Proact Netherlands B.V.
+31 35 70 70 525 [email protected] www.proact.nl
PROACT is gespecialiseerd in het managen, beveiligen en opslaan van grote hoeveelheden bedrijfskritische informatie.
Als onafhankelijke integrator leveren wij consultancy, services, support en systemen voor storage, back-up en archivering.
De PROACT groep heeft ongeveer 320 gespecialiseerde medewerkers en is vertegenwoordigd in Nederland, Zweden, Denemarken, Finland, Noorwegen en de Baltische Staten.
PROACT is opgericht in 1994 en de moederorganisatie PROACT IT Group AB is sinds 1999 beursgenoteerd aan de Stockholm Stock Exchange onder de code PACT.
Meer informatie over PROACT is te vinden op onze website www.proact.nl