Flash jako dysk w serwerze

Zakładamy użycie nośników SSD (bądź kart PCIe emulujących SSD) jako zamiennika dysków twardych podłączanych bezpośrednio do serwera. Jest to przydatne, np. w serwerach z DAS (Direct Attached Storage), które obsługują aplikacje wymagające dużej wydajności, w przypadku których nie wchodzi w grę komunikacja z macierzą poprzez sieć. Nośniki SSD są produkowane w obudowach o różnych rozmiarach, w tym 2,5 cala, i obsługują różne interfejsy, m.in. Serial ATA (SATA) i Serial Attached SCSI (SAS), umożliwiające przesyłanie danych do i z procesorów serwera. Często jest to najłatwiejszy sposób wdrożenia pamięci flash, ale jednocześnie nie daje możliwości rekonfiguracji i czy rozbudowy bez zatrzymania serwera, co może być problemem w niektórych środowiskach.

Flash jako dysk w macierzy

Ten scenariusz może występować w dwóch wariantach. W pierwszym część dysków w macierzy to SSD, w drugim mamy do czynienia z All-Flash Array (AFA), czyli macierzą, w której nie ma dysków magnetycznych. Pierwszy wariant ma zastosowanie, gdy najczęściej używane dane chce się umieścić w szybko dostępnym miejscu.

Zobacz również:

• Nowa era w pojemności dysków twardych

Z kolei macierze AFA wdraża się tam, gdzie potrzebna jest duża ilość przestrzeni na dane, a jednocześnie aplikacje wymagają dużej wydajności, przykładowo niektóre bazy danych. W tym przypadku wszystkie dane są przechowywane na pamięciach flash. AFA wiąże się z najwyższymi kosztami. Przy ocenie należy zbadać, jak dany produkt radzi sobie z typowymi słabościami pamięci flash, np. nagłymi spadkami wydajności, kiedy wszystkie komórki są zajęte cyklem kasowania i nie pozwalają na zapis nowych danych. Aby temu zaradzić, stosuje się różne techniki, np. zaawansowane mapowanie komórek.

Lepszy twardziel czy półprzewodniki

Pamięci masowe można opisać za pomocą trzech parametrów: pojemności, szybkości transferu w MB/s i szybkości wyrażonej w ilości operacji wejścia/wyjścia na sekundę (IOPS). Dla pojedynczych nośników flash, w porównaniu do dysków magnetycznych, przepustowości interfejsu są ok. 30-krotnie większe przy jednoczesnym niższym czasie odpowiedzi. Ostatni z parametrów, IOPS przyjmuje wartość 100 dla interfejsu SATA oraz 250 dla SCSI. Natomiast dyski SSD potrafią realizować nawet 10-40 tys. IOPS w zależności od modelu i typu obciążenia. Bazując na tym parametrze, można stwierdzić, że dyski SSD będą najlepszym rozwiązaniem dla aplikacji transakcyjnych, które zapisują z dużą częstotliwością niewielkie paczki danych. Im bardziej strumieniowy jest zapis, oraz im rzadziej sięga się do danych, tym mniejsze różnice miedzy SSD a dyskami klasycznymi. Tradycyjne systemy pamięci masowej, wykorzystujące dyski mechaniczne i kontrolery z pamięcią cache, są dobrym rozwiązaniem do obsługi obciążeń, w których można wyodrębnić grupy zasobów o jednorodnych wymaganiach oraz posiadających duży udział operacji sekwencyjnych.

Macierze klasy All-Flash-Array sprawdzają się w najbardziej wymagających środowiskach biznesowych. Wśród takich środowisk można wymienić rozwiązania wirtualizacji desktopów i serwerów oraz bazy danych wymagające krótkich czasów odpowiedzi. Przewiduje się, że w ciągu najbliższych lat wraz z upowszechnieniem technologii macierzy AFA wachlarz zastosowań będzie się powiększać o systemy analityczne typu Business Intelligence czy rozwiązania HPC (High Performance Computing).

Na kwestię porównania wydajności różnych technologii pamięci masowych należy spojrzeć również z poziomu macierzy. Takie urządzenie może być wyposażone wyłącznie w dyski SSD lub kombinację dysków klasycznych i SSD. W pierwszym przypadku wąskim gardłem jest kontroler macierzy. „Dodając nowe dyski półprzewodnikowe możemy osiągnąć wręcz “kosmiczną” wydajność. W takim przypadku można zadać pytanie, czy kontroler macierzy jest w ogóle potrzebny. Zarządzanie pamięcią masową można bowiem przesunąć na poziom aplikacji” – uważa Zbigniew Swoczyna, szef Zespołu wsparcia sprzedaży Oracle Hardware w Oracle Polska.

Macierze AFA mają architekturę specjalnie zaprojektowaną do obsługi pamięci SSD, bez bagażu architektury klasycznych macierzy. AFA nie korzystają np. z „wolnych” interfejsów dyskowych SAS i nie mają modułów pamięci podręcznej cache. Nośniki są podłączane bezpośrednio do dedykowanego kontrolera pamięci obsługującego poziomy RAID dla pamięci SSD . „Efektem takiej architektury jest eliminacja wąskich gardeł i zredukowanie opóźnień dostępu operacji I/O nawet o 2 rzędy wielkości w porównaniu do rozwiązań hybrydowych” – mówi Wojciech Wróbel, Product Manager Storage & Servers, Fujitsu.

Drugim przypadkiem są konfiguracje hybrydowe, przechowujące dane na kilku poziomach składowania: ultra szybkim - cache, bardzo szybkim - SSD i tym “zwykłym” - na dyskach HDD. Żeby taka maszyneria działała poprawnie, stosuje się złożone mechanizmy i algorytmy potrafiące na podstawie analizy aktywności systemu określić, które dane w którym buforze trzeba przechowywać.

„Na przestrzeni kilku najbliższych lat, ze względu na ciągłe zmniejszanie się cen, nowe technologie materiałowe, zaawansowane funkcjonalności, itd. parametry ROI/TCO nośników flash ulegną znacznej poprawie, co spowoduje ich szersze stosowanie. Nośniki flash zaczną z czasem zastępować dyski mechaniczne o dużych prędkościach obrotowych (zwłaszcza 15k rpm)” – sądzi Wojciech Kozikowski, Storage Solution Architect, HP.

Nie wszystko złoto, co się świeci

Dostawcy korporacyjnych pamięci masowych kuszą wizją macierzy wyposażonych w nośniki SSD, które mają zmienić reguły w świecie przechowywania danych. Obiecują niemal nieograniczoną wydajność i niewielkie zużycie energii w stosunku do dysków mechanicznych. Promują oprogramowanie do dynamicznej segregacji danych, co ma zapewnić optymalizację dostępu do nich. Czy faktycznie dodanie do macierzy kilku pamięci SSD odpali jej wydajność? Czy ta technologia jest tak doskonała, jak ją przedstawiają producenci? Odpowiedź może być twierdząca, ale też producenci nie chwalą się różnymi niuansami, które warto przybliżyć.

Oprogramowanie, które zarządza nośnikiem SSD jest równie skomplikowane jak to, które obsługuje macierz. SSD jest połączeniem pamięci flash i kontrolera pamięci masowej. Kontroler ma wbudowane zaawansowane algorytmy do zarządzania pamięcią flash. Przykładowo, większość nośników dokonuje odczytu na poziomie stron, ale kasowanie odbywa się na poziomie bloków. Aby to działało, konieczne jest zastosowanie mechanizmu LSA (Log Structured Array), który wprowadza wysoki poziom złożoności.