Технология SSD

     По  мнению специалистов Hitachi GST, хотя начальные  затраты при развертывании систем с SSD выше, применение этих накопителей дает возможность значительно снизить операционные расходы. При сохранении производительности системы хранения можно обойтись меньшим числом дисковых накопителей HDD. В результате оборудование становится более компактным и потребляет меньше электроэнергии.

     Александр Дудник, председатель комитета SNIA Europe в России, привел на конференции IDC некоторые  примеры построения архитектуры  гипотетической системы хранения, в  базовом варианте которой используются 100 дисковых накопителей со скоростью вращения 15 тыс. об/мин. Общая емкость этих дисков — 14,6 Тбайт. Система эквивалентной стоимости, полностью реализованная на базе SSD, будет содержать 34 накопителя, но емкость ее составит лишь 15% от базового варианта с использованием HDD. Если реализовать комбинированную систему (20% накопителей на SSD) той же емкости, что и базовый вариант, она обойдется почти вдвое дороже, но будет на порядок производительнее (по IOPs). Замена HDD на недорогие накопители SATA (16 SSD + 46 SATA) позволяет получить систему практически с такой же производительностью и примерно на треть большей стоимостью. То есть за счет SSD можно, при сохранении общей емкости, на 960% повысить производительность (около 300 тыс. IOPs вместо 31 тыс.) и впятеро снизить потребление электроэнергии (305 Вт вместо 1500 Вт).

     Гибридную систему можно оптимизировать и  по стоимости. По данным SNIA, если вместо СХД емкостью 64 Тбайта из 224 дисков FC использовать систему хранения с  той же производительностью и  емкостью в комбинации SSD+SATA, то она окажется на 39% дешевле по капитальным затратам, будет потреблять на 66% меньше электроэнергии и занимать на 59% меньше места. Разумеется, в реальной жизни показатели зависят от характера приложения и особенностей доступа к данным. Наибольший эффект от SSD достигается для нагрузки, представляющей собой произвольные операции чтения и записи небольшими блоками в соотношении 80/20, что примерно соответствует работе СУБД (соотношение 70/30). Кроме того, по наблюдению NetApp, «холодные» данные составляют до 70–80%, а на «горячие» приходится примерно 20–30%. Исходя из этого, можно выбирать пропорцию HDD/SSD. Снижение энергопотребления и увеличение надежности позволяют получить выигрыш по TCO (по данным SNIA — более 2300 долларов за четыре года для системы емкостью 1,5 Тбайт при замене дисков HDD SAS на SSD).

     Как уверяют представители SNIA, накопители SSD будут постепенно вытеснять быстрые  диски HDD (15 тыс. об/мин) с интерфейсом FC и SAS. По мнению Александра Дудника, со временем быстрые дисковые накопители FC исчезнут, и в корпоративных системах будут применяться накопители SSD и бюджетные HDD с интерфейсом SATA, что может произойти уже через полтора года. Между тем, хотя доля FC действительно уменьшается, сейчас причиной этого является в первую очередь их замещение дисками SAS, а влияние SSD минимально, замечает Алексей Иванов. По его мнению, накопители SSD будут сосуществовать с HDD с интерфейсами SAS и SATA, возможно, потеснив SAS.

     Диски FC действительно уйдут с рынка  в ближайшие пару лет, но им на смену придут диски SAS, подтверждает Александр Грубин. Сейчас доступны HDD емкостью 600 Гбайт с интерфейсом SAS на 6 Гбит/c и скоростью вращения 15 тыс. об/мин. Стоят они дешевле, чем аналогичные диски с интерфейсом FC. Более того, вскоре произойдет массовый переход с форм-фактора 3,5″ на 2,5″ (согласно прогнозам SNIA, их цены в 2012 году сравняются), что позволит существенно увеличить плотность размещения дисков в системах. Поэтому полный переход на SSD — дело не ближайшего будущего. Для большинства приложений производительности быстрых дисков SAS вполне хватает. При этом, по сравнению с SSD, их стоимость и емкость будут еще долго оставаться привлекательными для заказчиков. В LSI признают, что в настоящее время наиболее экономичным является использование жестких дисков (конфигурация SAS+SATA), но ситуация изменится, когда твердотельные накопители станут более доступными.

     Все производители внешних хранилищ данных имеют в своем арсенале решения FC-SAS/SATA, говорит Вячеслав Фонарев. При этом FC обеспечивает внешний доступ к хранилищу, а для внутреннего межсоединения вполне хватает SAS. Накопители SSD будут использоваться в таких системах в качестве кэш-памяти, а не основного хранилища.

     У дисков FC и SAS 15K наработка на отказ  выше, чем у SATA. Fibre Channel, скорее всего, в ближайшее время уступит интерфейсу SAS, предполагает Дмитрий Агеев, специалист группы продвижения IBM Storwize компании IBM в России и СНГ. FC и SAS 2.0 уже сравнялись по функционалу и используют одинаковый набор команд SCSI, но диски SAS дешевле, что должно привести к потере спроса на диски FC. Это уже происходит. Например, в новых массивах начального и среднего уровня IBM уже перешла на SAS 2.0. С другой стороны, вместо FC все активнее используются накопители SSD. На двух полюсах выгоды находятся разные диски: с одной стороны — SATA, удовлетворяющие требованиям экономичности, с другой — SSD, отвечающие требованиям производительности.

     Многие  вендоры предлагают SSD с форм-фактором и интерфейсами, соответствующими HDD поэтому технически замена одних на другие в дисковом массиве не представляет сложности, но максимального эффекта она не даст. С этой целью вендоры разрабатывают специальное ПО. Например, опция MegaRAID FastPath для контроллеров LSI отключает для SSD все алгоритмы оптимизации чтения/записи, связанные с геометрией HDD: оптимизацию пути головки диска, перестроение очереди чтения и записи и т. д. По словам Александра Зейникова, отключение ненужных, но загружающих процессор проверок и оптимизаций, приводит к скачку производительности (примерно до 80%) на массивах, состоящих только из SSD. Кроме того, контроллер СХД должен справляться с высокой производительностью SSD (IOPs). Для текущей линейки LSI обоснованны конфигурации с 8–10 SSD. Характеристика IOPs у контроллеров в основном зависит от процессора. LSI уже планирует их выпуск на основе многоядерных процессоров. Это позволит повысить число поддерживаемых накопителей SSD до 24–30 устройств.

     В данный момент архитектура СХД действительно  имеет ограничения по количеству SSD в дисковых группах, подтверждает Александр Грубин. Восьми SSD хватит для того, чтобы загрузить пару контроллеров на 70–80%. Массивы старшего класса частично лишены этих ограничений, а новые архитектуры СХД, способные эффективно использовать производительные накопители SSD, — дело ближайшего будущего.

     Adaptec не рекомендует подключать больше 3–5 SSD на контроллер (это касается  всех дискретных контроллеров RAID на рынке). По словам Алексея Иванова, исходя из этого и необходимо планировать замену HDD на SSD. В настоящее время компания советует использовать схемы кэширования на SSD, которые позволяют более гибко подходить к интеграции SSD в серверы и СХД.

     Ряд вендоров предлагает ПО, позволяющее  использовать SSD в качестве кэш-памяти для оптимизации производительности операций ввода/вывода и минимизации  времени отклика системы с HDD. Например, решение MegaRAID CacheCade для контроллера LSI MegaRAID на 6 Гбит/с разработано для увеличения производительности дисковых массивов и позволяет заказчикам осуществлять постепенный переход на технологию SSD. По данным LSI, лучше всего это ПО проявляет себя при работе приложений, ориентированных на множество случайных небольших блоков ввода/вывода (например, Web и OLTP), обеспечивая 50-кратное увеличение производительности. Приложения, использующие крупные активные наборы или более интенсивные профили записи, показывают ограниченное улучшение (для таких ситуаций разработано ПО LSI MegaRAID FastPath).

     По  словам Александра Зейникова, с момента  включения контроллера все запрашиваемые  данные копируются на SSD, причем одновременно ведется список секторов, информация которых продублирована в кэш-памяти. При обращении к сектору диска, который уже есть в кэше, но отсутствует в оперативной памяти, данные считываются с SSD. Когда весь объем SSD оказывается заполнен, включается механизм отслеживания «горячих» зон массива HDD. Редко используемые данные на SSD замещаются «горячими». В результате SSD работает как ускоритель массивов HDD. Например, для СУБД, где размер рабочих таблиц больше емкости памяти сервера, применение кэша из SSD, контроллера MegaRAID и ПО CacheCade позволяет получить в несколько раз более производительное и дешевое решение, чем сервер с оперативной памятью увеличенной емкости.

     Adaptec называет свое решение maxCache высокопроизводительной  технологией гибридных дисковых  массивов. Результаты независимого  тестирования производительности maxCache SSD Cache Performance Solution в среде Web-серверов показывают шестикратное сокращение времени ответа пользователю и четырехкратный прирост пропускной способности. Решение может включать в себя до восьми накопителей SSD Intel X25-E Extreme SATA по 32 или 64 Гбайт, кэширующее ПО Adaptec MaxIQ SSD и контроллеры Series 5Z, Series 5 или Series 2. Накопители SSD Intel X25-E характеризуются производительностью 35 тыс. IOPs в режиме чтения и 3,3 тыс. IOPs в режиме записи. Они подключаются непосредственно к контроллеру и используются как дополнительная кэш-память. Кроме того, Adaptec предлагает контроллеры Series Q с интегрированной технологией maxCache, которые в качестве SSD-кэша могут использовать любые SSD-накопители. Adaptec maxCache дает прирост производительности при преобладании операций чтения, но если количество операций большое, ускорения записи не будет. Впрочем, вскоре Adaptec намерена предложить и схемы для использования SSD в качестве кэша записи; уже сейчас реализована схема гибридного RAID 1/10 SSD+HDD с несколькими дисками.

     MaxIQ предназначается для задач с  интенсивным вводом/выводом и  для сред «облачных» вычислений. Это решение может использоваться  для создания высокопроизводительных  гибридных массивов (High-Performance Hybrid Array, HPHA). По данным компании, массивы  HPHA позволяют до 50% сократить капитальные и операционные затраты. Между тем накопители SSD с успехом используются и в более сложных конфигурациях с большим числом уровней хранения и более интеллектуальным ПО. 

Ярусное хранение

     Идея  иерархического или ярусного хранения (Storage Tiering) состоит в том, чтобы распределять данные по системам хранения (это могут быть разные СХД или одна система с разными типами накопителей) в зависимости от вероятности повторного доступа к ним (см. Рисунок). Обычно иерархию образуют от двух до четырех уровней. Цель — повышение скорости доступа к данным и оптимизация затрат на хранение. Наиболее востребованные данные помещаются на самые быстрые и дорогостоящие накопители, а статические, редко изменяемые мигрируют на медленные недорогие диски большой емкости или на магнитные ленты. По оценкам, 20% корпоративных данных следует хранить на уровнях 0-1 (SSD и диски SAS/FC), а 80% — на уровнях 2-3 (диски SATA/НМЛ). 

     Для обеспечения максимальной производительности, автоматической балансировки нагрузки и автоматизированной реализации концепции  иерархического хранения данных могут  использоваться системы с комбинацией  накопителей SSD (быстрая кэш-память) и HDD (SAS или SATA). Многие производители наделяют свои СХД возможностями динамического распределения данных по уровням хранения. Один из наиболее известных примеров — технология EMC Fully Automated Storage Tiering (FAST) для дисковых массивов Symmetrix, Clariion и Celerra. IBM также активно развивает свой программный инструментарий, с помощью которого часто используемые данные можно хранить на устройствах SSD, а остальные — на жестких дисках.

     Еще один характерный пример — дисковые массивы iSCSI серии EqualLogic компании Dell. Ранее в них можно было устанавливать только однотипные диски (в PS6000E — 16 дисков SATA, в PS6000X — SAS 10K, в PS6000XV — SAS 15K, в PS6000S — SSD) и объединять разные дисковые массивы в общий пул хранения (до восьми систем PS6000) с иерархическим или вручную управляемым размещением томов на том или ином уровне. В новом дисковом массиве PS6000XVS, содержащем по восемь накопителей SSD и дисков SAS 15K, можно комбинировать разнотипные накопители, образующие уровни 0 и 1.

     Для целого ряда приложений такая архитектура  позволяет значительно повысить производительность (IOPs) и сохранить  приемлемую стоимость решения. По словам Дмитрия Агеева, ТСО SSD меньше в сравнении  с обычными дисками. Кроме того, сейчас разрабатываются решения, которые позволяют эффективно применять SSD в условиях ограниченного бюджета. У IBM это технология Easy Tier в новом дисковом массиве среднего уровня Storwize V7000 и в массиве старшего класса DS8000. Она постоянно анализирует производительность массива и автоматически переводит «горячие» области на SSD и обратно на диски, если сегменты данных более не нуждаются в производительных ресурсах. C администратора снимается тем самым задача прогнозирования и правильного распределения данных по уровням хранения.

     ПО  анализирует количество операций ввода/вывода, характер и активность доступа к  данным, оценивает время доступа  и применяет заранее заданные правила. Такой класс программных  продуктов, получивший название Dynamic Storage Tiering (DST), позволяет максимально эффективно использовать дорогостоящую быструю память и помогая справиться с ростом объемов данных. Динамическое распределение данных по уровням хранения уже широко используется в СХД и обеспечивает создание относительно недорогих инсталляций с SSD. Для эффективного функционирования «уровня 0» (SSD) обычно требуется большое количество дисков HDD, что, однако, не всегда способствует росту производительности, ведь задержка при доступе к данным может даже увеличиваться. Более того, производительность иногда снижается, поскольку для определения перемещаемых данных (на файловом или блочном уровне) необходимо привлечение ПО. Разработчики по-разному решают эту проблему.

     В частности, технология Adaptec maxCache использует для анализа активности данных ресурсы процессора ввода/вывода контроллера: их вполне хватает, к тому же ресурсы хост-системы не задействуются.

     Иногда DST используют в сочетании с виртуализацией СХД. Продукты виртуализации отображают виртуализированные логические блоки  в физические блоки дисков и хорошо вписываются в логику работы DST: при отображении блока принимается решение о том, на каком уровне хранения его размещать. Например, система IBM SAN Volume Controller (SVC) поддерживает DST на уровне LUN (логических дисков), а ПО IBM SVC Automatic Tiering автоматически перемещает данные между дисками и SSD на более детализированном уровне. ПО Network Storage Server (NSS) SAN Accelerator компании FalconStor Software определяет активные блоки дисков и кэширует их на SSD. Hitachi Tiered Storage Manager (HTSM) в системе USP от Hitachi Data Systems поддерживает DST на уровне LUN, в том числе для подключенных к ней дисковых массивов разных вендоров. В качестве реализации более эффективной поддержки SSD компания рассматривает вариант включения в этот процесс блоков данных.

     Обычно  «блочные» продукты DST «привязаны»  к дисковым массивам одного вендора, поэтому, если нужно реализовать  динамическое перемещение данных по устройствам хранения разных производителей, нужны другие решения, работающие на уровне файлов. Ключевая характеристика систем DST файлового уровня — единое пространство имен, охватывающее разнородные хранилища данных. В этом случае становится возможным прозрачное перемещение файлов между разными уровнями хранения, причем путь доступа к файлам сохраняется независимо от их физического местонахождения.