تعداد فزاینده‌ای از دیتاسنترهای سازمانی که نیاز به توان عملیاتی بالا و تأخیر کم دارند که قبلاً به درایوهای دیسک سخت (HDD) در سرورهای خود وابسته بودند، اکنون با تنگناهای عملکردی روبرو هستند و به دنبال Solid-State Drives (SSD) به عنوان یک راه حل ذخیره سازی مناسب برای افزایش عملکرد هستند. عملکرد دیتاسنتر، کارایی، قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌های عملیاتی کلی (OpEx).
برای درک تفاوت بین کلاس‌های SSD، ما باید دو جز key اصلی یک SSD را تشخیص دهیم – Flash Storage Controller (یا به سادگی کنترل کننده SSD نامیده می‌شود) و حافظه NAND Flash غیر فرار که برای ذخیره داده استفاده می‌شود.
در بازار امروز، مصرف حافظه SSD و NAND Flash به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
- دستگاه‌های مصرف کننده (تبلت، دوربین، تلفن همراه)
- سیستم‌های مشتری (نوت بوک، اولترابوک، AIO، رایانه‌های شخصی رومیزی)، تعبیه شده/ صنعتی (کیوسک بازی، سیستم ساخته شده با هدف، علامت‌های دیجیتال)
انتخاب یک دستگاه ذخیره‌سازی مناسب SSD برای دیتاسنترهای سازمانی می‌تواند یک فرایند طولانی و دشوار برای یادگیری و احراز صلاحیت بسیاری از فروشندگان مختلف SSD و انواع محصولات باشد زیرا همه SSD ها و حافظه‌های NAND Flash برابر نیستند.
حافظه‌های SSD ساخته شده‌اند تا به راحتی جایگزین درایوهای دیسک سخت مبتنی بر صفحه مغناطیسی چرخشی (HDD) قرار گیرند و در تعدادی از فاکتورهای مختلف از جمله 2.5 اینچ، پروتکل ارتباطی/ رابط از جمله Serial ATA (SATA) ، در دسترس هستند. Serial Attached SCSI (SAS) و اخیراً PCIe برای انتقال داده‌ها به واحد پردازش مرکزی (CPU) یک سرور.
به راحتی قابل استفاده است، اما تضمین نمی‌کند که همه SSD ها در طولانی مدت برای برنامه سازمانی که برای آن انتخاب شده‌اند مناسب خواهند بود. هزینه انتخاب SSD اشتباه اغلب می‌تواند صرفه‌جویی در هزینه اولیه و مزایای عملکردی را که در هنگام فرسودگی زودرس SSD به دلیل نوشتن زیاد، دستیابی به عملکرد نوشتاری پایدار کمتر در طول عمر مورد انتظار یا تأخیر اضافی در آرایه ذخیره سازی، به دست می‌آورد و بنابراین نیاز به تعویض زودهنگام است.
کارایی
SSD ها می‌توانند با استفاده از معماری چند کاناله و دسترسی موازی از کنترل کننده SSD به تراشه‌های NAND Flash، عملکرد خواندن و نوشتن فوق العاده بالایی را برای هر دو درخواست داده‌های پی در پی و تصادفی از پردازنده ارائه دهند. در یک سناریوی مرکز داده معمولی شامل پردازش میلیون‌ها بایت داده تصادفی شرکت، از جمله همکاری در نقشه‌های فنی CAD، داده‌ها برای تجزیه و تحلیل (به عنوان مثال، Big Data) یا دسترسی به داده‌های مشتری در سراسر جهان برای انجام معاملات بانکی (به عنوان مثال، OLTP)، دستگاه‌های ذخیره سازی باید با کمترین تأخیر قابل دسترسی باشد و می‌تواند تعداد زیادی مشتری را که نیاز به دسترسی همزمان به داده‌های مشابه دارند بدون تخریب در زمان پاسخگویی درگیر کند. تجربه کاربر مبتنی بر تأخیر کم است که باعث افزایش بهره وری کاربر می‌شود.
برنامه مشتری فقط شامل یک کاربر یا دسترسی به برنامه با دلتا قابل تحمل بالاتر بین حداقل و حداکثر زمان پاسخ (یا تأخیر) در مورد هر کاربر یا عملکرد سیستم است.
برخلاف SSD های کلاینت، SSD های سازمانی کلاس کینگستون نه تنها برای اوج عملکرد در چند ثانیه اول دسترسی بهینه شده‌اند بلکه با استفاده از یک (OP) over-provisioned area، آنها همچنین یک عملکرد پایدار بالاتر را برای مدت زمان طولانی تر ارائه می‌دهند. اطلاعات بیشتر در مورد درایوهای خاص را می‌توانید در وب سایت کینگستون تحت Enterprise SSD بیابید.
قابلیت اطمینان
حافظه NAND Flash دارای تعدادی از مسائل ذاتی مرتبط با آن است، مورد مهم طول عمر محدود با فرسودن سلول‌های NAND Flash در هنگام نوشتن مکرر و میزان خطای طبیعی است. در طی فرآیند تولید NAND Flash، هر قالب NAND Flash برش خورده از ویفرهای سیلیکونی آزمایش شده و با نرخ خطای بیت خام (BER یا RBER) مشخص می‌شود.
توانایی کنترل کننده SSD در تصحیح این خطاهای بیتی را می‌توان با نسبت خطای بیت غیرقابل اصلاح (UBER) معیاری برای میزان خرابی داده‌ها برابر با تعداد خطاهای داده در هر بیت خوانده شده پس از اعمال هر روش خاص برای تصحیح خطا، تفسیر کرد.
| Application Class |
Beban Kerja (lihat JESD219) |
Penggunaan Aktif (daya menyala) |
Penggunaan Retensi (daya mati) |
Persyaratan UBER |
| Client | Client | 40° C 8 jam/hari |
30° C 1 tahun |
≤10 -15 |
| Enterprise | Enterprise | 55° C 24 jam/hari |
40° C 3 bulan |
≤10 -16 |
Table 1 – JESD218A:Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method
Copyright JEDEC. Reproduced with permission by JEDEC.
برای تکمیل فن آوری‌های بازیابی بلوک داده‌های زاید که در SSDهای سازمانی کینگستون تعبیه شده است، ایجاد ایستگاه بازرسی دوره‌ای، بررسی سیکل حلالیت (CRC) و تصحیح خطا ECC نیز در یک طرح محافظت داخلی End-to-End برای تضمین یکپارچگی داده‌ها از میزبان اجرا می‌شود از طریق فلش و به میزبان برگردید. حفاظت از پایان به پایان به این معنی است که داده هایی که از میزبان دریافت می‌شود از نظر یکپارچگی در هنگام ذخیره سازی در حافظه نهان داخلی SSD و هنگام نوشتن یا بازخوانی از مناطق ذخیره سازی NAND بررسی می‌شود.
مشابه SSDهای کلاس سازمانی که باعث افزایش حفاظت ECC در برابر خطاهای بیتی می‌شوند، SSD ها همچنین ممکن است دارای مدارهای فیزیکی برای تشخیص افت برق باشند که خازن‌های ذخیره انرژی را روی SSD مدیریت می‌کند. پشتیبانی از Power Fail در سخت افزار، میزان ورودی برق به SSD را کنترل می‌کند و در هنگام اتلاف ناگهانی برق، برق موقت مدارهای SSD را با استفاده از خازن‌های تانتالوم فراهم می‌کند تا هرگونه نوشتار برجسته داخلی یا خارجی را قبل از خاموش کردن SSD تکمیل کنید. مدارهای حفاظتی Power Fail معمولاً برای برنامه‌هایی که از بین رفتن داده قابل بازیابی نیستند، مورد نیاز است.
در بسیاری از موارد، استفاده از ذخیره سازی نرم افزار یا خوشه بندی سرور ممکن است نیاز به پشتیبانی Power Fail مبتنی بر سخت افزار را کاهش دهد زیرا هر داده در دستگاه ذخیره سازی جداگانه و مستقل در سرور یا سرورهای دیگر تکثیر می‌شود. دیتاسنتر در مقیاس وب معمولاً از پشتیبانی Power Fail با استفاده از ذخیره سازی نرم افزار تعریف شده در سرورهای RAID برای ذخیره نسخه‌های اضافی داده‌های مشابه پشتیبانی نمی‌کنند.
تحمل
تمام حافظه‌های NAND Flash موجود در دستگاه‌های ذخیره سازی Flash در توانایی ذخیره قطعی داده‌ها با هر برنامه یا پاک کردن (P / E) چرخه حافظه NAND Flash تا زمانی که بلوک‌های NAND Flash دیگر نمی‌توانند داده‌ها را به طور قابل اعتماد ذخیره کنند، کاهش می‌یابد در آن مرحله، یک بلوک تخریب شده یا بد از مخزن ذخیره آدرس پذیر کاربر حذف می‌شود و آدرس بلوک منطقی (یا LBA) به یک آدرس فیزیکی جدید در آرایه ذخیره سازی NAND Flash منتقل می‌شود. یک بلوک ذخیره سازی جدید با استفاده از استخر Spares Block که بخشی از ذخیره سازی Over Provisioned (OP) در SSD است، جایگزین آن می‌شود.
همانطور که سلول به طور مداوم برنامه‌ریزی یا پاک می‌شود، BER نیز به صورت خطی افزایش می‌یابد و به همین دلیل مجموعه‌ای پیچیده از تکنیک‌های مدیریتی باید در SSD Controller سازمانی اجرا شود تا قابلیت سلول برای ذخیره قابل اعتماد داده‌ها در طول عمر مورد انتظار SSD را مدیریت کند. مقاومت P / E یک حافظه NAND Flash داده شده می‌تواند به میزان قابل توجهی به روند تولید لیتوگرافی و نوع NAND Flash تولید شده، متفاوت باشد.
| NAND flash memory type | TLC | MLC | SLC |
| Architecture | 3 bits per cell | 2 bits per cell | 1 bit per cell |
| Capacity | Highest capacity | High capacity | Lowest capacity |
| Endurance (P/E) | Lowest endurance | Medium endurance | High endurance |
| Cost | $ | $$ | $$$$ |
| Approx NAND Bit Error Rate (BER) | 10^4 | 10^7 | 10^9 |
Table 2 – NAND flash memory types
SSDهای سازمانی همچنین با SSDهای مشتری در چرخه کار متفاوت خواهند بود. SSD کلاس سازمانی باید توانایی تحمل فعالیت خواندن یا نوشتن سنگین را در سناریوهای معمول با یک سرور دیتاسنتر داشته باشد که نیاز به دسترسی به داده‌ها در کل 24 ساعت هر روز در هفته نسبت به SSD کلاس مشتری دارد که معمولاً فقط به طور کامل برای آن استفاده می‌شود روزانه 8 ساعت در هفته. SSD های سازمانی دارای چرخه کار 24×7 در مقایسه با SSDهای مشتری با چرخه کار 20/80 هستند (20 درصد از زمان فعال ، 80 درصد در حالت بیکار یا خواب در هنگام استفاده از رایانه).
با استفاده از روش‌های پیشنهادی JESD218A و بارهای کلاس سازمانی JESD219، تفسیر محاسبات استقامت سازنده SSD از طریق TBW و برآورد اندازه گیری استقامت قابل فهم‌تر که می‌تواند برای هر دیتاسنتر اعمال شود، کار ساده‌تری می‌شود.
در حالی که TBW یک موضوع مهم برای بحث بین SD های سازمانی و کلاس مشتری است، TBW فقط یک مدل پیش‌بینی مقاومت در سطح NAND Flash است و میانگین زمان بین شکست (MTBF) باید به عنوان یک مدل پیش‌بینی مقاومت و قابلیت اطمینان در سطح مولفه بر اساس قابلیت اطمینان اجزای استفاده شده بر روی دستگاه است. انتظار از اجزای سازنده SSD کلاس سازمانی عبارتند از: طولانی‌تر بودن و کار بیشتر در مدیریت ولتاژهای حافظه NAND Flash بیش از امید به زندگی SSD ها. تمام SSDهای سازمانی حداقل باید یک میلیون ساعت MTBF داشته باشند که بیش از 114 سال ترجمه می‌شود! کینگستون SSD های خود را بسیار محافظه کارانه توصیف می‌کند و دیدن مشخصات بالاتر MTBF در SSD ها غیر معمول نیست. توجه به این نکته مهم است که 1 میلیون ساعت بیش از یک نقطه شروع کافی برای SSD های سازمانی است.
S.M.A.R.T.هوشمندانه. نظارت و گزارش در مورد SSD های سازمانی، اجازه می‌دهد تا بر اساس فاکتور فعلی تقویت نوشتن (WAF) و سطح سایش، پیش از خرابی برای امید به زندگی مورد سوال قرار گیرد. هشدارهای پیش‌بینی قبل از خرابی در مورد وقایع خرابی مانند از دست دادن نیرو، خطاهای بیتی که از رابط فیزیکی رخ می‌دهد یا توزیع یکنواخت سایشی نیز اغلب پشتیبانی می‌شوند.
بسته به کلاس برنامه و ظرفیت SSD، یک ظرفیت ذخیره بیشتر حافظه NAND Flash نیز می‌تواند به عنوان یک ظرفیت اضافی over-provisioned (OP) اختصاص یابد. ظرفیت OP از دسترسی کاربر و سیستم عامل پنهان است و می‌تواند به عنوان یک بافر نوشتن موقت برای عملکرد پایدارتر و به عنوان جایگزینی سلول‌های حافظه فلش معیوب در طول عمر SSD برای افزایش قابلیت اطمینانSSD استفاده شود. (با تعداد بیشتری بلوک یدکی).
نتیجه
تفاوت‌های مشخصی بین SSDهای سازمانی و کلاینت وجود دارد که از برنامه حافظه NAND Flash تا تکنیک‌های مدیریت پیچیده آنها متناسب با بارهای مختلف کلاس برنامه متفاوت است. درک این تفاوت‌ها در کلاس‌های کاربردی به دلیل عملکرد، قابلیت اطمینان می‌تواند ابزاری موثر در به حداقل رساندن و مدیریت ریسک خرابی مختل کننده در محیط سازمانی و مهم باشد.
