Технология SSD

     Консультант по технологиям компании Fujitsu Андрей Перкин полагает, что перспективы  технологии SSD до конца не выявлены, а вокруг твердотельных дисков все  еще ходит много слухов и крайне противоречивой информации: «За последние  два года технология производства твердотельных дисков сделала ряд шагов вперед, которые позволили увеличить такие характеристики, как максимальный объем и количество циклов перезаписи, однако сказать, что SSD активно вытесняют традиционные накопители по-прежнему нельзя». Очевидно, что основными преимуществами SSD перед HDD являются: значительно более высокая скорость произвольного чтения; отсутствие движущихся частей и, как следствие, бесшумность и высокая механическая надежность; малые размеры и вес.

     Но  Андрей Перкин также указал на заметные недостатки, ограничивающие применение SSD: малая емкость (лишь экспериментальные твердотельные накопители имеют емкость 1 Тбайт, а в продаже доступны SSD лишь до 256 Гбайт), ограниченное количество циклов перезаписи (согласно спецификации отрасли, SLC SSD (single-layer cell) ограничены 100 000 циклами записи, MLC SSD (multilevel cell) – лишь 10 000 циклами на одну ячейку с двумя битами, и даже 1000 записей на одну ячейку с тремя или четырьмя битами), относительно медленная скорость записи, высокая стоимость памяти.

     К недостаткам полупроводниковых накопителей можно отнести:

• фиксировано ограниченное количество циклов перезаписи: обычная (50nm MLC) флэш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз, более дорогостоящие виды памяти (SLC) - более 100 000 раз;
• довольно высокая цена за 1 ГБ (приблизительно от 2 долларов, при 9 центах для жёстких дисков, за гигабайт) на сегодняшний день. Имеется тенденция к ее устойчивому снижению;
• стоимость SSD-накопителей прямо пропорциональна ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма диска;

Выход накопителя SSD на рынок

     Накопители SSD выйдут на массовый рынок не только в результате снижения цен, но и ввиду явных преимуществ в производительности, высокой надежности, простой интеграции с существующими системами, появления новых и требовательных к скорости доступа приложений, оптимизации операционных и файловых систем для работы с SSD. Однако для их широкого распространения нужны годы. Эксперты прогнозируют два сценария развития событий. Согласно первому, SSD останутся нишевым решением, и даже в 2016 году их продажи будут составлять немногим более 20% мировых продаж высокопроизводительных HDD. По второму сценарию, который считается более вероятным, через пять лет они полностью вытеснят быстрые (10/15 тыс. об/мин) дисковые накопители при уровне продаж 27 млн устройств в год.

     По  мнению аналитиков iSuppli, благодаря конкуренции  производителей и росту объемов поставок, через три-четыре года накопители SSD могут сравняться в цене с жесткими дисками. Впрочем, эксперты Storage Networking Industry Association (SNIA) ожидают, что в ближайшие пять лет снижение цен будет уже не столь незначительным — 20–30% в год, тогда как в предыдущие три года оно составляло, соответственно, 58, 64 и 28%. По прогнозам Gartner, в течение двух лет стоимость SSD и HDD корпоративного класса будет снижаться одинаковыми темпами: сейчас корпоративные SSD стоят около 10 долларов за гигабайт (на порядок дороже HDD), но за два года их цена может снизиться до 6–7 долларов. В 2012 году SSD (в долларах за гигабайт) будет стоить столько же, сколько стоил корпоративный HDD в 2007 году.

     Корпоративные SSD, изготавливаемые по технологии флэш-памяти Single-Level Cell (SLC) NAND, обладают большей долговечностью, чем Multi-Level Cell (MLC) NAND: число циклов записи у них на порядок выше (около 100 тыс. на ячейку). Срок службы типичного накопителя SSD (SLC) емкостью 32 Гбайт составляет (в лабораторных условиях), по данным SNIA, 140 лет при записи 50 Гбайт данных ежедневно. Эти устройства отличаются повышенной производительностью (особенно при записи) и наличием более совершенных механизмов контроля целостности и защиты данных.

     Как подчеркивает Александр Грубин, менеджер по развитию бизнеса отдела систем хранения данных НР в России, себестоимость SSD для корпоративного рынка значительно выше, чем SSD для рынка SOHO: они изготавливаются по более дорогой технологии, а в целях повышения надежности и решения проблемы жизненного цикла в них используются более сложные контроллеры. По мере совершенствования технологии и увеличения объемов производства цены будут снижаться, но это снижение вряд ли будет стремительным.

     В настоящее время технология SLC доминирует в продуктах корпоративного класса, но 90% поставок SSD в мире приходится на продукты MLC, которые стоят вчетверо дешевле (долл./Мбайт), но в 10–20 раз менее надежны. Чтобы увеличить срок службы накопителей SSD, производители применяют специальные алгоритмы распределенной записи, чтобы все ячейки памяти использовались относительно равномерно.

     SSD могут устанавливаться в системных  платах серверов (в слотах DIMM и  PCI Express), в кэш-памяти внешней СХД  или контроллера встроенного  жесткого диска либо служить  в качестве основного устройства хранения. Их можно оснащать практически любым интерфейсом. Применение SSD может быть выгодным в приложениях Интернета (поиск, социальные сети, доставка контента, Web-кэширование), виртуализации, баз данных, бизнес-аналитики, поддержки принятия решений, обработки транзакций/OLTP, создания и редактирования видео.

     Накопители SSD хорошо подходят для высокопроизводительных задач: при случайных операциях  чтения/записи блоками небольшого и  среднего размера их производительность на 400–700% превосходит производительность «быстрых» HDD, а для блоков большого размера этот показатель составляет 200–500%. OCZ Technology в октябре выпустила SSD RevoDrive X2 с интерфейсом PCIe c пропускной способностью до 740 Мбайт/с и производительностью до 120 тыс. операций ввода/вывода в секунду (Input/Output Operations Per Second, IOPs). Новый SSD имеет емкость от 100 до 960 Гбайт. Применение SSD уменьшает время загрузки ОС, сокращает сроки дефрагментации, перестроения RAID, антивирусного сканирования. SSD потребляют примерно на 90% меньше электроэнергии, чем «быстрые» HDD 3,5″. Наработка на отказ SSD (MTBF) составляет около 2 млн часов (вдвое выше, чем у HDD), и коэффициент отказов у них меньше.

     Выпущенная Toshiba в прошлом году линейка корпоративных SSD на базе памяти SLC NAND обладает производительностью 25000/20000 IOPs при чтении/записи блоков размером 4 Кбайта. Они выпускаются в форм-факторе 2,5″ (SFF) и оснащаются двумя резервируемыми портами SAS. По данным компании, их энергопотребление на 240% ниже, чем у HDD, что позволяет создавать «зеленые» ЦОД. В августе этого года Toshiba представила SSD на базе памяти Toggle Mode NAND с удвоенной скоростью передачи данных в версии MLC и SLC емкостью до 128 Гбайт. Память Toggle Mode NAND (32 нм) имеет более быстрый интерфейс по сравнению с асинхронной памятью NAND, а ее энергопотребление ниже по сравнению с конкурирующей синхронной памятью DDR NAND. Разработчики считают, что такие продукты хорошо подходят для высокопроизводительных корпоративных приложений.

     Компания Hitachi GST приступает к выпуску накопителей SSD на базе памяти SLC с интерфейсом SAS на 6 Гбит/с в форм-факторе 2,5″ и с интерфейсом Fibre Channel на 4 Гбит/с в форм-факторе 3,5″. Они производятся в сотрудничестве с Intel и предназначены для OEM-производителей. В следующем году Hitachi и Intel планируют выпуск версии SSD на базе памяти MLC. Эти более дешевые и емкие накопители ориентированы на приложения с небольшой интенсивностью операций записи.

     Экспансия SSD на корпоративный рынок уже  началась, и старт задали СУБД, считает Александр Зейников. Следующими могут стать файловые серверы: в данный момент у производительности (IOPs) файловых систем есть «узкое место» — в части хранения и метаданных. Сначала на рынок придут гибридные решения, а затем и иерархические системы хранения.

     IBM стала внедрять SSD в корпоративные  решения с 2007 года. Применение 2,5-дюймовых  накопителей SanDisk SATA 5000 емкостью 64 Гбайт  в серверах IBM BladeCenter HS21 XM позволило  на 18 Вт сократить энергопотребление  в расчете на один сервер (252 Вт на шасси). Компания постепенно расширяет использование SSD в серверах и платформах хранения, совершенствуя ПО, управляющее размещением данных на накопителях разных типов. Программные продукты Data Facility Storage Management Subsystem (DFSMS) и SSD Data Balancer упрощают миграцию, мониторинг и динамический перенос данных на твердотельные накопители.

     В серверах IBM Power Systems могут использоваться SSD 2,5″ с интерфейсом SAS емкостью 69 Гбайт. По данным IBM, производительность такого накопителя в IOPs в 87 раз выше, чем у жесткого диска SAS 15K, а потребляет он в пять раз меньше электроэнергии. Для серверов IBM System х предназначены SSD 2,5″ и 3,5″ с интерфейсом SATA емкостью 50 Гбайт с потребляемой мощностью 2,1 Вт. Накопителями SSD комплектуются системы хранения System Storage DS8000. По данным IBM, это позволяет на 30% повысить общую производительность СХД (при выполнении DB2 и SAP), сократить энергопотребление на 70% и уменьшить занимаемые площади на 60%.

     В модульных серверах HP ProLiant для платформы HP BladeSystem также могут использоваться встроенные накопители HP Solid State Drives Gen 2 емкостью 80 или 120 Гбайт форм-фактора SFF (2,5″) с интерфейсом SATA. Их производительность при произвольном чтении в 70 раз превосходит показатели дисков SAS 15K, а при записи — до 20 раз. Кроме того, в серверы HP BladeSystem можно установить мезонинную плату HP StorageWorks IO Accelerator for HP BladeSystem c-Class на SSD. Это ускоряет операции ввода/вывода при произвольном доступе к небольшим блокам данных. Такая плата с интерфейсом PCI Express х4 емкостью 80, 160 (SLC) и 320 Гбайт (MLC) имеет производительность до 800 Мбайт/с или до 100 тыс. IOPs на операциях с произвольным доступом малыми блоками (4 Кбайта). Операционная система воспринимает эту плату как собственный локальный жесткий диск и может ее использовать вместо обычного жесткого диска для требовательных к производительности приложений. До трех таких модулей может быть установлено в полноразмерный блейд-сервер, с объединением их в RAID средствами операционной системы. Системы хранения корпоративного уровня HP EVA 6400 и 8400 могут поддерживать до 216 (в модели 6400) и до 324 (в 8400) дисков HDD 3,5″ с интерфейсом FC/FATA емкостью до 600 Гбайт каждый и накопители SSD емкостью 200 или 400 Гбайт, ускоряющие операции чтения небольших блоков. Массивы уровня предприятия HP StorageWorks P9500 оснащаются дисками только малого форм-фактора 2,5″ и расширяются до 2048 дисков, поддерживая как диски с интерфейсом SAS максимальной емкостью 500 Гбайт, так и диски SSD емкостью 200 Гбайт.

     По  словам Александра Грубина, у HP появилось  много новых продуктов и технологий, поддерживающих технологию SSD и миграцию данных между различными уровнями хранения. SSD можно использовать в большинстве  систем хранения HP, а в остальных они будут поддерживаться в ближайшее время. Во всех СХД HP StorageWorks, где реализована технология многоуровневого хранения, заказчик может применять диски SAS и SATA, самостоятельно формируя из них динамические пулы ресурсов, и при необходимости добавлять более быстрые накопители SSD.

     Серверы Sun Blade 6000 поддерживают накопители SSD в  форм-факторе 2,5″ вместо дисков, а  в некоторых моделях твердотельные  накопители Sun Flash устанавливаются в  слоты системной платы подобно  модулям памяти DIMM. Файловая ZFS автоматически записывает новые данные на скоростные накопители SSD (кэш-память систем хранения).

     Компания NetApp в качестве альтернативы созданию дополнительного уровня твердотельных накопителей предлагает использовать флэш-память как интеллектуальный кэш для ускорения работы файловых служб, систем обмена сообщениями, виртуальных инфраструктур и баз данных OLTP (см. Рисунок 3). Модули Flash Cache (PAM II) легко устанавливаются и автоматически кэшируют часто запрашиваемые данные. В NetApp утверждают, что по сравнению c HDD такой подход позволяет ускорить чтение данных как минимум в 10 раз и сократить расходы на системы хранения почти на 50% для типовых приложений.

     Как утверждает Алексей Иванов, потенциальные  заказчики ждут увеличения емкости SSD и более низкой цены. Только тогда  можно будет говорить об их массовом выходе на корпоративный рынок. Когда  это произойдет, до сих пор неясно. Пока же будут использоваться гибридные схемы, в том числе с кэшированием на SSD, и внедряться отдельные решения на базе SSD (серверы и системы хранения).

     По  мнению Александра Грубина, преимущества от применения SSD получат те, кто  работает с бизнес-критичными транзакционными приложениями: например, базами данных Oracle или SAP, аналитическими приложениями, серверами электронной почты — в этих случаях SSD позволяют решить проблемы с производительностью. С помощью всего лишь нескольких SSD можно добиться такой же производительности ввода/вывода, как и при использовании нескольких дисковых полок с высокопроизводительными дисками FC или SAS. Зачастую из-за недостатка мощности электропитания или места в стойке заказчики не могут расширить дисковый массив, когда требуется установить сразу несколько десятков HDD. Применение SSD может решить такую проблему. Для некоторых задач большим преимуществом может быть устойчивость SSD к вибрациям и способность работать в более широком диапазоне температур. На массовый корпоративный рынок SSD выйдут, когда появятся СХД с архитектурой, способной обеспечить такие же высокие скорости ввода/вывода, как и сами накопители. Пока такое возможно лишь в массивах старшего класса. 
 

Комбинирование  SSD и HDD

     Комбинирование SSD и HDD в серверах и дисковых массивах позволяет создавать экономичные комплексные решения корпоративного класса и оптимизировать производительность систем хранения FC или SAS при выполнении приложений разного типа. По словам Алексея Иванова, на данный момент SSD выгодно использовать в гибридных конфигурациях с HDD SATA и SAS (кэширование на SSD, различные схемы SSD+HDD). Оборудование становится более компактным и потребляет меньше электроэнергии. Вопреки представлению о том, что системы хранения на SSD экономически себя оправдывают лишь для приложений, где нужна очень высокая производительность, они уже сейчас позволяют получить выигрыш по TCO для широкого спектра корпоративных задач.