Первая СХД корпоративного класса с SSD-дисками

14 января 2008 г. корпорация ЕМС первая анонсировала доступность с конца 1 кв. 2008 г. для системы хранения уровня enterprise – EMC Symmetrix® DMX-4 – модулей расширения, построенных на твердотельных дисках (Solid State Disks – SSD), параллельно с традиционными.

Введение

SSD-диски стали использоваться достаточно давно – более 8 лет назад. Их применение было ограничено и, в основном, касалось трех областей (SN № 2, 2000, http:/ /www.storagenews.ru/02/SSD_02.pdf):

• как отдельного набора дисков в RAID-подсистеме для хранения файлов с очень высокой интенсивностью обращения (файлы баз данных: оглавления, индексы; snapshot-файлы; файлы ОС: для авторизации прав пользователей; файлы управления; общие библиотеки и файлы изображений, часто используемые командами операционной системы);
• как дополнительного кэша в RAID-подсистеме при чтении/записи;
• как дополнительного кэша в RAID-подсистеме для повышения ее отказоустойчивости.

Широкое распространение SSD сдерживалось, в основном, из-за стоимости. Однако там, где необходимо было достигать повышенной скорости доступа к данным, SSD-диски включались в состав систем.

В качестве исторической справки можно назвать, например, использование SSD-дисков Rushmore Ultra SSD Quantum (август 1999 г.) в составе линейки серверов IBM AS/400e.

За прошедшие годы емкость SSD-дисков возросла более чем в 200 раз, а с учетом форм-фактора – почти на 3 порядка. Одновременно снизилась и цена. По прогнозам компании STEC (одного из ведущих мировых производителей полупроводниковой памяти), к 2012 г. цены за гигабайт памяти SSD-дисков (для FC, SAS и SATA-II интерфейсов) будут ниже $2 при стоимости SSD-диска емкостью 512 Гбайт менее $1000 (уже сейчас в продаже только по другой цене – прим. ред.*)). То, что в 1999 г. было 5” диском и приобреталось ограниченным кругом компаний, сейчас – флэшка по емкости, эквивалентная 5” SSD-диску выпуска 1999 г., доступна любому школьнику.

Помимо этого, была существенно повышена надежность SSD, а также их энергоэффективность и низкая стоимость владения. Так, благодаря использованию современных технологий управления SSDпамятью среднее время наработки на отказ (MTBF) у накопителей SanDisk (2,5- дюймовые SSD-накопители SanDisk SATA 5000 с июля 2007 г. используются в блэйд-системах ряда производителей – прим. ред.) на базе твердотельной памяти составляет 2 млн часов, что примерно в 6 раз выше, чем у обычных дисковых накопителей.

Эти факторы и ряд других позволили значительно расширить области применения SSD, а с 2007 г. обеспечили возможность их массового использования в IT-инфраструктурах – блэйд-серверах, ноутбуках и теперь – и в корпоративных системах хранения.

Системы хранения с SSD – новый уровень производительности и энергетической эффективности

Компания ЕМС – первая из мировых производителей систем хранения корпоративного класса, предложившая использование SSD в их составе. SSD-диски в новой системе – EMC Symmetrix DMX-4 – будут использоваться в качестве нулевого уровня наряду с FC- (как первый уровень хранения) и SATA-дисками (вторй уровень хранения) в одном массиве.

Необходимо отметить, что SSD-диски, используемые в DMX-4 – плод совместной разработки компаний ЕМС и STEC, которые специально разрабатывались для DMX-4 и по ряду показателей имеют отличительные характеристики от аналогичных выпускаемых STEC.

Рассмотрим основные премущества SSD-дисков, делающих их наиболее привлекательными при использовании в системах хранения для критичных приложений.

Первая и наиболее важная особенность SSD-дисков – возможность с их помощью достигать максимальной производительности критичных транзакционных приложений. Соответственно, основное назначение новых систем хранения – применение в приложениях, требующих максимальной производительности, таких как: электронная торговля (algorithmic trading), обработка интернеттранзакций, валютные операции на бирже и др., где даже незначительное увеличение времени реакции может приводить к потерям в миллионы долларов.

Один из наиболее характерных примеров использования систем хранения с SSD-дисками – онлайновая обработка транзакций (online transaction processing – OLTP). Другое применение SSD – более частная задача OLTP-приложений, возникающая при работе с большими индексами и часто используемыми таблицами БД. Примеры СУБД-приложений – Oracle, DB2, SAP R/3 и др.

Наилучшее применение систем хранения с SSD – там, где процент операций со случайным доступом по чтению достаточно высок (> 95%). Если же рабочая нагрузка представляет потоковое видео или формируется системами принятия решений (decision support systems – DSS), улучшение производительности от SSD-дисков может оказаться не столь высоким.

Дополнительное понимание влияния SSD-дисков на производительность в сравнении с HDD представлено в табл. 1 – в частности, основное преимущество в производительности системы хранения на SSD за счет малого времени доступа и его независимости от расположения и фрагментации данных. В целом, максимальное преимущество по производительности дисков SSD в сравнении с жесткими может доходить до 200 раз (рис. 1, табл. 2).

Рис. 1. По данным компании STEC (www.stec-inc.com), диски ZeusIOPS SSD ее производства на случайных операциях чтения по производительности превосходят корпоративные HDD (15 rpm, класс enterprise) почти в 200 раз.

Компания ЕМС, усредняя рабочую нагрузку, дает более сдержанные оценки, говоря о 30-кратном превышении (рис. 2) по производительности SSDдисков в сравнении с 73 Гбайт жесткими дисками (15 rpm, FC).

Рис. 2. По данным компании ЕМС, экономия по потребляемой мощности на единицу емкости 73 Гбайт SSD-диска в сравнении с аналогичным HDD (15 rpm) достигает 32%.	Рис. 3.По данным компании ЕМС, экономия по потребляемой мощности на единицу производительности 73 Гбайт SSD-диска в сравнении с аналогичным HDD (15 rpm) достигает 97,7%.

В каждом конкретном случае эффективность применения SSD-дисков в составе СХД должна исследоваться отдельно.

Вторым важным преимуществом SSDдисков является их меньшее энергопотребление (как в режиме покоя, так и работы) – около 1,4 раз в сравнении с эквивалентной емкостью HDD 15 rpm (см. рис. 2), что в пересчете на единицу производительности (IOPs) достигает 97,7% (рис. 3). Это, в целом, еще добавляет преимуществ SSD при их использовании для критичных OLTP-приложений.

Особенности конфигурирования SSD-дисков в составе массива DMX-4

Необходимо также отметить, что SSDдиски, устанавливаемые в Symmetrix DMX-4, имеют полную защиту целостности данных на основе кода с исправлением ошибок и защитой от отключения питания. Так же, как и HDD, SSD- диски конфигурируются в RAID-группы для достижения максимального уровня надежности.

Рис. 4. SSD-диски могут только напрямую подключаться к DMX-4 – всего 4 квадранта по 32 SSD-диcка в каждом.

SSD-диски в настоящее время поддерживают уровни RAID 5 (3+1) и RAID 5 (7+1). RAID 5 является оптимальной схемой для SSD-дисков с точки зрения защиты, стоимости и производительности. При конфигурировании томов в RAID 5 для вычисления четности на операциях записи должна выполняться еще одна дополнительная операция чтения, но так как задержки на SSD-дисках при чтении незначительны, это существенным образом не сказывается на производительности.

При развертывании SSD-дисков в составе DMX-4 должны создаваться гомогенные RAID-группы, полностью конфигурируемые на SSD-дисках. При этом все элементы RAID 5 группы должны быть сконфигурированы внутри одного квадранта DMX-4. Один квадрант может содержать максимум 32 SSD-диска (рис. 4). В настоящее время можно сконфигурировать до 16 Tбайт полезной емкости на SSD.

SSD-диски могут совместно использоваться с Fibre Channel и SATA II дисками в одном массиве DMX-4 и только в конфигурации прямого подключения полок. Также SSD-диски могут совместно разделять одну back-end петлю дискового массива, однако при этом требуется проводить тщательный анализ рабочей нагрузки приложений, чтобы не допустить значительного снижения производительности SSD-дисков.

SSD-диски в составе уже выпущенных или новых систем Symmetrix DMX-4 доступны под управлением ПО Enginuity 5773 (входит в состав систем хранения Symmetrix, прим. ред.) и могут устанавливаться в работающую систему в режиме горячей замены.

Рассмотрим еще ряд программных опций, доступных для конфигурирования с SSD-дисками в DMX-4:

• Symmetrix Dynamic Cache Partitioning (DCP);
• Symmetrix Priority Controls (SPC);
• Symmetrix Virtual Provisioning (SVP);
• SRDF Remote Replication.

DCP дает возможность делить кэш на множество партиций, привязывая их к определенным группам устройств, которые на основе правил разделяют неиспользуемый кэш с целью оптимизации производительности. Так как SSD-диски имеют минимальные задержки, то для них устанавливается минимальный размер кэша.

SPC помогает управлять множеством прикладных рабочих нагрузок, устанавливая приоритетные уровни и обеспечивая преференции внутри массива, тем самым позволяя исключить вынужденное понижение производительности SSD-дисков, спровоцированное другими факторами.

SVP введена в состав уже всех систем хранения корпоративного класса и позволяет представлять приложениям больше емкости, чем ее физически имеется, добиваясь ее максимальной утилизации.

И, наконец, опция – SRDF Remote Replication – для репликации томов между двумя/тремя сайтами как в синхронном, так и асинхронном режимах, теперь может использоваться и с SSD-дисками.

Заключение

Появление в составе корпоративных систем хранения SSD-накопителей – важный этап развития отрасли, происходящий один раз в течение нескольких лет, позволяющий более чем на порядок поднять производительность СХД для отдельных классов задач, снимая физические ограничения, свойственные HDD, и, обеспечивая при этом доступность новых СХД для достаточно широкого круга компаний. С учетом тенденций развития, новый нулевой уровень корпоративных СХД уже через 4 года может стать базовым для многих критичных приложений большинства компаний, давая возможность по-новому смотреть на перспективы использования СХД, которые при этом открываются.