10 faktów o napędach Solid State Disk

Dyski SSD (Solid State Disk) pojawiły się na rynku ponownie jak Feniks z popiołów po 20 latach od momentu, gdy zostały zaprezentowane i poniosły porażkę. Gdyby entuzjazm użytkowników miał decydować o tym, że dane rozwiązanie odniesie sukces, to tym razem dyski SSD powinny święcić triumfy. Dlatego wszyscy, którzy decydują o zakupach, powinni się zapoznać z dziesięcioma podstawowymi faktami dotyczącymi dysków SSD.

1. Dyski SSD pomagają oszczędzać energię i wspierają zielone centra danych.

Ponieważ dyski SSD nie zawierają ruchomych części, pobierają mniej energii niż dyski twarde (HDD). Dyski SSD wydzielają też niewiele ciepła i nie wymagają chłodzenia. Biorąc to pod uwagę, dyski SSD pomagają oszczędzać energię i wprowadzać do systemów IT zielone praktyki, chociaż są w porównaniu z innymi pamięciami masowymi są wciąż dość drogie, biorąc pod uwagę cenę, jaką użytkownik musi zapłacić za jeden GB przechowywanych danych. Jednak poszczególne rozwiązania SSD różnią się między sobą pod względem poboru mocy, zależnie od rodzaju zastosowanego interfejsu czy też innych elementów, takich jak np. wbudowana pamięć buforowa DRAM.

2. Biorąc pod uwagę współczynnik cena/pojemność, dyski twarde wygrywają dalej z dyskami SSD.

Chociaż dyski SSD mają coraz większe pojemności i są coraz tańsze, dyski twarde SATA są dalej bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem biorąc pod uwagę cenę, jaką musimy zapłacić za jeden GB przechowywanych danych. Jeśli dodamy do tego fakt, że dyski twarde także tanieją i ich pojemności rosną, moment, w którym dyski SSD zaczną poważnie konkurować z dyskami twardymi, wydaje się być jeszcze dość odległy.

3. Biorąc pod uwagę współczynnik cena/IOPS, dyski SSD są obecnie najlepszym rozwiązaniem.

Dyski SSD nie zawierają ruchomych części, dlatego opóźnienia przy odczytywaniu danych są bardzo małe. Dyski SSD spisują się bardzo dobrze w środowiskach w których aplikacje muszą uzyskiwać w sposób przypadkowy dostęp do dużych bloków danych. Dyski takie pracują przy tym bardzo wydajnie przy odczytywaniu danych. Jednak operacje zapisywania danych są przez nie realizowane dość wolno, co wynika z samej zasady pracy dysków SSD; dysk SSD musi bowiem najpierw wymazać z komórki dane, zanim przystąpi do operacji zapisywania w niej nowych danych. Dyski SSD klasy enterprise (dla przedsiębiorstw) używają różnych metod, po to aby przyspieszyć proces zapisywania danych, wykorzystując np. do buforowania danych układy pamięci DRAM, co pozwala im uzyskiwać lepsze wyniki niż dyski twarde. I chociaż dyski SSD są dalej dość drogie, to biorąc pod uwagę współczynnik cena/IOPS, wygrywają na tym polu łatwo z dyskami twardymi.

4. W przypadku dysków SSD rozmiar nie odgrywa specjalnej roli.

Układy pamięci flash są umieszczane w obudowach o tych samych rozmiarach co standardowe dyski twarde, tak aby można je było instalować w serwerach czy macierzach dyskowych RAID. Podobnie jak dyski twarde, dyski SSD są dostępne w obudowach o wielkości 2,5 cala lub 3,5 cala. Jednak inaczej niż w przypadku dysków twardych (gdzie rozmiar ma duży wpływ na cenę i pojemność pamięci), w dyskach SSD nie ma to większego znaczenia.

5. W przypadku dysków SSD operacja zapisywania danych ma dość skomplikowany przebieg i dlatego przebiega wolniej.

Pamięci flash odczytują dane szybciej niż większość dysków twardych. Jednak przy zapisywaniu danych pamięci flash przegrywają z dyskami twardymi. Dzieje się tak dlatego, ponieważ pamięć flash nie zapisuje od razu bloku danych; pamięć musi najpierw wymazać poprzedni blok, a tak naprawdę nie jeden blok, ale całą grupę bloków. Taka grupa bloków nosi nazwę „erase block”; „erase block” może przy tym zawierać dane, które są dalej potrzebne, dlatego operacja zapisywania danych jest w dyskach SSD tak rozbudowana.
Dyski SSD klasy enterprise radzą sobie z tym problemem na rozmaite sposoby. Używają np. buforów celem agregowania operacji zapisujących dane, zastępując w ten sposób wiele mniejszych operacji zapisywania danych jedną dużą operacją. Trzeba powiedzieć, że wymiana nawet wszystkich bloków w bloku „erase” przebiega bardzo szybko i metoda taka zdaje często egzamin; jeśli jednak poszczególne bloki są rozproszone po wielu różnych blokach "erase", metoda taka nie rozwiązuje problemu. Inna metoda pozwalająca przyspieszyć proces zapisywania danych polega na jednoczesnym adresowaniu wielu układów pamięci flash, co oznacza, że dysk SSD zapisuje równolegle kilka bloków „erase”. Sekwencyjne operacje zapisywania danych są w takim przypadku zastępowane wieloma realizowanymi równolegle operacjami zapisywania danych.

Operacja zapisywania danych jest przysłowiową piętą achillesową dysków SSD. Dlatego dyski SSD klasy enterprise różnią się w tym obszarze znacznie od konsumenckich dysków SSD, gdyż stosują różne rozwiązania pozwalające przyspieszyć proces zapisywania danych.

6. Trwałość dysków SSD jest ograniczona.

Zależnie od zastosowanej technologii, układ pamięci flash wytrzymuje nie więcej niż 10 do 100 tysięcy operacji zapisywania danych. Nie jest to wiele w przypadku systemu pamięci masowej, który musi wykonywać wiele operacji I/O. Dlatego w dyskach SSD stosuje się technologię "wear levelling", która pozwala rozpraszać dane równomiernie po całej przestrzeni adresowej pamięci flash. Inna metoda zwiększająca trwałość dysków SSD polega na stosowaniu inteligentnych mechanizmów, które wykrywają uszkodzone części (bloki) pamięci flash i zastępują je innymi, zarządzając w ten sposób elastycznie całą pamięcią flash.

7. Wybierając pamięć flash typu MLC lub SLC należy pamiętać o tym, że różnią się one znacznie między sobą.

Skrót MLC pochodzi od słów Multi-Level Cell, a SLC od słów Single-Level Cell. W przypadku technologii SLC jedna komórka pamięci flash przechowuje jeden bit, podczas gdy przypadku technologii MLC są to najczęściej trzy bity. Wadą technologii MLC jest to, że uszkodzenie jednego z trzech bitów powoduje, że cała komórka (czyli trzy bity) przestają pracować. Pamięci MLC są też wolniejsze niż pamięci SLC (dotyczy to zarówno operacji czytania danych, jak i zapisywania) i pobierają więcej prądu. Jednak pamięci MLS mają większą pojemność przy tych samych kosztach produkcji (są więc tańsze) i z racji specyficznej architektury wykonują dziesięć razy mniej operacji zapisywania danych. Dlatego tanie dyski SSD są z reguły oparte na pamięciach flash typu MLC. Jeśli więc zależy nam głównie na dużej pojemności, wybór takiej pamięci jest uzasadniony. Jeśli jednak chcemy mieć szybki dysk SSD, lepiej jest zdecydować się na pamięć flash typu SLC.

8. Dyski SSD mogą rozwiązać wiele problemów, ale nie zastąpią zewnętrznych macierzy dyskowych.

Aby dyski twarde wykonywały wiele operacji IOPS, musi ich być wiele: im więcej mamy dysków, tym szybciej pracuje cały system pamięci masowej. Jednak serwery mogą pomieścić ograniczoną liczbę dysków twardych, dlatego korzystają z usług zewnętrznych macierzy dyskowych.

Biorąc pod uwagę fakt, że dwa dyski SSD pracujące w trybie RAID 1 mogą obecnie zastąpić kilka dysków twardych (a dwa napędy można bez problemu zainstalować w każdym serwerze), wydawałoby się, że tradycyjne systemy RAID powinny przegrywać z dyskami SSD. Jednak nie dzieje się tak dlatego, ponieważ zewnętrzne macierze dyskowe mają ciągle wiele zalet wynikających z faktu, że można je konsolidować; dostęp do macierzy dyskowych może mieć wiele serwerów, a dzięki konsolidowaniu macierzy spada znacznie wielkość niewykorzystywanej przestrzeni adresowej pamięci masowej. Wiele aplikacji wymaga też nadal obecności pamięci masowych obsługiwanych przez kontrolery RAID, które zapewniają danym bezpieczeństwo. Aplikacje takie nie mogą korzystać z usług wewnętrznych dysków twardych czy prostych pamięci masowych typu JBOD. Tak więc pomimo tego, że dyski SSD mogą zastępować proste pamięci masowe oparte na dyskach twardych (takie jak JBOD), ich słabością jest dalej niezadowalający współczynnik cena/pojemność. Jeśli więc uruchamiamy aplikacje, które nie muszą pracować szybko, dyski twarde mogą nam wystarczyć.

9. Dyski SSD pozwolą budować systemy pamięci masowych o bardzo dużych pojemnościach.

Układ scalony zawierający pamięć flash jest bardzo mały. I chociaż dzisiaj układy takie są umieszczane w obudowach o rozmiarach tradycyjnych dysków twardych, w przyszłości może to ulec zmianie. Układy pamięci flash pobierają mało prądu i wydzielają niewiele ciepła, dlatego nie muszą być chłodzone tak intensywnie jak dyski twarde. Można więc sobie wyobrazić system pamięci masowej o bardzo dużej pojemności mający zupełnie inną konstrukcję. Pojemność systemów pamięci masowych podwaja się co roku i cena przechowywania jednego GB danych ciągle spada. Technologia flash nadaje się doskonale do budowania bardzo pojemnych i wydajnych (oraz małych) systemów pamięci masowych, które nie będą w niczym przypominać stosowanych obecnie systemów RAID.

10. Właściwy wybór pamięci masowej, między dyskami SSD a innym rozwiązaniem, zależy od tego, jak dana pamięć będzie używana.

Jak zawsze, w przypadku wdrażania systemu pamięci masowej, idealna infrastruktura zależy od określonego scenariusza. Jeśli głównym celem jest magazynowanie olbrzymiej ilości danych, które są rzadko wykorzystywane (co ma miejsce np. w przypadku serwera plików), nie należy się decydować na dyski SSD. Jeśli natomiast zależy nam na szybkości, dyski SSD spełnią nasze oczekiwania, ale jak to już wcześniej podkreślano, ich słabym punktem jest mała wydajność przy zapisywaniu danych. Dlatego jeśli aplikacja musi głównie szybko odczytywać dane, można wybierać dyski SSD. Jeśli jednak aplikacja zapisuje często dane, dyski SSD nie są najlepszym wyborem. Podsumowując – dyski SSD klasy enterprise, chociaż nie są idealnym produktem, radzą sobie nie najgorzej z wieloma wyzwaniami i oferują zadowalające wydajności.

Marcus Schneider, członek rady dyrektorów SNIA Europe i European Liaison w SNIA Solid State Storage Initiative