История развития флеш-памяти
Привет, Гиктаймс! Все мы, в той или иной степени, пользуемся цифровой техникой, но далеко не каждый из нас задумывается о том, благодаря чему эта техника работает именно так, а не иначе. В этой статье я расскажу о неотъемлемой части практически любого устройства – о флеш-памяти. Этот компонент используется везде, где только можно: мы сталкиваемся с флеш-памятью сотни раз на день, сами о том не догадываясь. Флеш-память применяется как в портативных гаджетах (ноутбуки, смартфоны, плееры, часы), так и в стационарной электронике (телевизоры, ПК, мониторы и даже стиральные машины). Но если спросить обычного человека о флеш-памяти, первым делом он назовет самые очевидные вещи: SD- и microSD-карты памяти, флешки и тому подобные вещи. На самом деле, она является конкурентом традиционных жестких дисков (HDD), и полноценные твердотельные накопители на ее основе (SSD) появились относительно недавно – во второй половине 90-х годов (да и то, до конца 2000-х их вытесняли вышеупомянутые жесткие диски на магнитных пластинах, а массовую популярность SSD приобрели и вовсе, только в 2012 году.
Как все начиналось
Старожили Хабра наверняка помнят познавательный материал о зарождении SSD и флеш-памяти. Но если «твердотельники» были изобретены на рубеже веков, то обычная флеш-память родилась гораздо раньше, чем могли бы подумать многие из вас. Еще в середине 20 века в одном из подразделений компании American Bosch Arma ученый-баллистик Вэн Цинг Чоу задался целью улучшить блоки памяти координат бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F. Но и тогда, появившаяся на свет технология оставалась засекреченной в течение нескольких лет, так как данная организация работала на правительство США, а существование системы Atlas не подвергалось широкой огласке. Но прошло немного времени, и большинство разработок компании были рассекречены, а вместе с ней и технология, которую разработал Вэн Цинг Чоу – она получила название PROM (programmable read only memory).
Принцип работы PROM был довольно прост: память представляла собой координатную сетку, в узлах (пересечениях) которой проводники были замкнуты специальной перемычкой. В тот момент, когда нужно было определять состояние (значение) ячейки с определенными координатами, достаточно было узнать, есть ли ток в пересечении нужных проводников.
Первые успехи
Итак, начало было положено. Но недостатком нового изобретения была чересчур маленькая емкость. Впрочем, у EPROM были и преимущества – высокая скорость и устойчивость к механическим повреждениям.
Следующее крупное продвижение в области развития флеш-памяти было совершено Довом Фроманом из компании Intel. Изучая повреждения вышедших из строя микросхем, он изобрел новый стандарт памяти EPROM. В новинке для сохранения информации использовалось особое движение электронов по чипу, а для стирания данных – мощное ультрафиолетовое излучение. Память EPROM можно встретить в микросхемах BIOS на компьютерах начала IT-эпохи, например, на популярном в те годы на Западе ZX Spectrum, более известном в СНГ под именами Поиск или Magic.
Парни из Intel решили не останавливаться на достигнутом, и в 1978 от лица инженера Джорджа Перлегоса компания представила микросхему Intel 2816, схожую по характеристикам с EPROM, но благодаря тонкому слою изоляции «2816-я» могла стирать информацию и без помощи ультрафиолетовых лучей. Данная архитектура получила имя EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Но у нее была одна весьма значительная проблема: из-за сложностей с реализацией правильной подачи тока на столь тонкий слой диэлектрика, EEPROM была лишена возможности перезаписи (проще говоря, она была «одноразовой»).
В итоге разработчики приняли решение о создании двух типов микросхем на основе EEPROM: первая из них обладала большой емкостью, но не могла быть перезаписана, а вторая была перезаписываемой, но вмещала меньше информации.
Решение этой проблемы нашел инженер Фудзио Масуока из компании Toshiba. Его коллеге процесс стирания данных показался похожим на фотовспышку – именно так и появилось название flash-memory. Инновацию представили публике в 1984 году, в 1988 Intel представила первые коммерческие образцы памяти NOR-flash, и в 1989 году Toshiba анонсировала привычную нам NAND-память.
Сохраняющие информацию микросхемы, получили название Single-Level-Cell (SLC). Наряду с SLC появились альтернативные микросхемы, вмещающие 2 бита информации – Multi-Level-Cell. MLC-чипы получались более дешевыми в производстве, но работали медленно, и были недолговечны. В последние годы появилась eMLC-память (Enterprise Class MLC), способная противопоставить MLC-чипам более высокую скорость чтения и записи, а также увеличенный срок работы. По соотношению цена/качество современные варианты eMLC лишь незначительно уступают SLC, но стоят при этом вдвое дешевле. Если помните, в прошлом году мы подробно рассказывали об устройстве микросхем.
Но вернемся же к самой флеш-памяти. Ее функционирование невозможно без сервисных микросхем, отвечающих за управление хранением информации на чипах NAND. Эти сервисные микросхемы назвали FSP (Flash Storage Processor). Современные FSP обладают большой вычислительной мощностью: они состоят из двух ядер, имеют возможность продвинутой защиты данных и управляют процессами нахождения и уничтожения цифрового «мусора». Подобные многофункциональные микросхемы имеют довольно длительные сроки разработки, и разрабатываемые в данный момент чипы будут использоваться в производстве только через 2-3 года (как, например, во многих современных SSD). Кстати, именно SSD-накопители являются самым интересным направлением для производителей устройств на базе флеш-памяти. Причины вполне очевидны: это сочетание большой емкости в сочетании с необычайно высокой скоростью работы. Твердотельные диски увеличивают свой объем буквально с каждым годом, и если еще буквально пару лет назад среднестатистический SSD’шник вмещал 128-256 ГБ, то сейчас этот показатель близок к терабайту.
Если говорить о степени развития тех или иных вариантов использования флеш-памяти, то SSD –диски уже имеют намеченный путь развития и довольно быстро дойдут до совершенных характеристик. Куда более интересно обстоят дела с картами памяти: хотя они и не являются «отстающими», потенциал для наращивания скорости и емкости в них заложен более внушительный. Чтобы понять, почему так происходит, расскажем о появлении наиболее распространенных форматов съемных флеш-накопителей.
SD-карты
Шел 1999 год, когда компании SanDisk, Toshiba и Matsushita (ныне известная как Panasonic) скооперировались и приняли решение о создании нового единого стандарта карт памяти, который получил название SD, или Secure Digital. Именно на слове Secure (безопасный) делался основной акцент в имени нового стандарта – карточки получили поддержку DRM или, проще говоря, с их появлением стала возможна цифровая защита авторских прав. Уже в первый год своего существования объединения трех вышеуказанных компаний, они создали организацию SD Association, в которую один за одним подтянулись новые члены, среди которых были и такие гиганты, как Intel, Kingston, Apple, AMD, Canon, Nikon, Samsung, Hewlett-Packard и многие другие. Максимальная емкость первых моделей SD-карточек была равна всего лишь 2 ГБ, но уже совсем скоро появились варианты на 4 ГБ, хоть их и было тяжело встретить в продаже.
На первых порах этого размера было вполне достаточно, но цифровая индустрия не стояла на месте, объемы контента росли семимильными шагами, и в определенный момент пользователи начали ощущать явную нехватку свободного пространства. Поэтому в 2006 году было представлено второе поколение SD-накопителей, получившее название SDHC (Secure Digital High Capacity, или SD-карты с высокою емкостью); их максимальный объем вырос до 32ГБ. У этого формата был лишь один серьезный недостаток – отсутствие обратной совместимости, то есть они «не дружили» со старыми кард-ридерами. Но опять же, время шло, запросы пользователей росли, и нарастала необходимостью в накопителях большей емкости. Таким образом появились SD-карты версии 3.01, или SDXC – Secure Digital eXtended Capacity. Новинка актуальна по сей день, и может похвастаться номинально возможным объемом в 2 терабайта, которых уж точно хватит надолго.
microSD: навстречу мобильной стихии
В 2000-х годах вслед за бурным развитием мобильных технологий пришла потребность в большем количестве памяти. По аналогии с компьютерным миром, в мобильных гаджетах и прочих портативных девайсах (от GPS-навигатора до наушников) стали использоваться microSD-карты. Этот формат популярен и сегодня, а его характеристики при в 4 раза меньшем физическом размере, чем у SD-накопителей, ничем не хуже аналогичных показателей взрослых карточек памяти. Также проводя параллели с SD-картами существуют microSDHC- и microSDXC-форматы, предлагающие аналогичные объемы вмещаемой информации.
На заре становления мобильной эпохи достаточно часто можно было встретить и следующие не пользующиеся сегодня особым спросом форматы: Compact Flash (1994, отличался самой высокой на тот момент скоростью передачи данных – до 90 МБ/с), Memory Stick (1998, максимальный объем был равен 128 МБ), Memory Stick Pro (анонсирован в 2003м, максимальный объем до 4 ГБ, Memory Stick Duo (2003, первые карты были равны половине обычных MS), Memory Stick Pro Duo (2006, карты достигали объема в 32 ГБ), Memory Stick HG-Duo (2008, формат стал последней итерацией MS Duo-карт).
Продолжение следует
Историю карт памяти невозможно представить в виде прямой времени – это сложная запутанная схема. Одни форматы приживались и начинали развиваться, другие оказывались никому не нужны. В следующей части статьи мы поговорим о более экзотических форматах памяти и о причинах их непопулярности.
Спасибо за внимание и оставайтесь с Kingston на Гиктаймс!
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston и HyperX обращайтесь на официальный сайт компании. В выборе своего комплекта HyperX поможет страничка с наглядным пособием.
Представлен стандарт флеш-памяти UFS 2.2 с технологией ускорения записи данных WriteBooster
Ассоциация стандартизации полупроводниковой продукции JEDEC недавно выпустила новую версию стандарта UFS (Universal Flash Storage) с номером 2.2. Хотя организация только сейчас официально объявила об этом стандарте, запуск процессоров MediaTek Dimensity 800U и Dimensity 720 ранее уже подтвердил его существование. Тем не менее, теперь общественности сообщили детали об этом стандарте.
Последней версией ветки UFS 2.x до сих пор была UFS 2.1, а 3.x — UFS 3.1. Теперь появилась версия UFS 2.2, которая предлагает несколько новых функций. Вот что сообщает ассоциация: «Целью этого стандарта является описание электрического интерфейса UFS и устройства памяти UFS. Он заменит JESD220C, UFS 2.1 и принесёт функцию под названием WriteBooster».
Итак, основное различие между UFS 2.2 и UFS 2.1 — добавление функции WriteBooster (буквально — ускоритель записи). Она улучшает скорость записи UFS 2.2 по сравнению с предшественником. Этот показатель заметно влияет на быстродействие устройства в некоторых задачах. Впервые технология WriteBooster была представлена в UFS 3.1 — она подразумевает использование более скоростного энергонезависимого кеша, выпускаемого по технологии SLC.
Сегодня смартфоны начального уровня используют накопители eMMC, тогда как поддержка UFS 2.x становится нормой в устройствах среднего класса. Флагманы же зачастую предлагают более продвинутые накопители USF 3.x. По сравнению с eMMC накопители UFS предлагает гораздо более высокую скорость последовательного чтения и записи, а также повышенную скорость произвольного чтения и записи. Кроме того, UFS может осуществлять одновременные чтение и запись, обрабатывать несколько команд одновременно. Это делает аппараты с памятью UFS гораздо более отзывчивыми.
Революция флэш-памяти
Революция флэш-памяти… Она продолжается уже пять лет. Причем все только начинается. Столь радикальных изменений в технологиях хранения, какие происходят сегодня, еще не было. Практически все ведущие вендоры СХД за последние годы представили собственные системы хранения класса AFA (All-Flash Array), целиком построенные на флэш-памяти. Твердотельные накопители широко применяются и в серверах среднего и старшего класса, значительно повышая производительность систем благодаря низким задержкам и высокому быстродействию твердотельных накопителей SSD (Solid State Drive) в IOPS (операциях ввода-вывода в секунду).
Использование SSD заметно уменьшает время загрузки операционной системы сервера, запуска приложений и виртуальных машин. Накопители SSD также позволили значительно ускорить работу чувствительных к задержке приложений, таких как транзакционные базы данных. В России такие системы успешно внедряются, например, в страховых компаниях и банках.
Мировой рынок накопителей SSD
По прогнозу Transparency Market Research (TMR), мировой рынок накопителей SSD всех типов до 2022 года будет расти ежегодно более чем на 40% и достигнет 229,4 млрд. долларов. Наиболее высокими темпами будет развиваться сегмент накопителей SSD корпоративного класса – среднегодовые темпы роста составят 76,3%. В числе производителей SSD разного класса — Lite-on Technology, Kingston Technology, OCZ Storage Solutions, Intel, Western Digital.
Доли вендоров на мировом рынке SSD в единицах продукции на второй квартал 2015 года (по данным TrendFocus ).
Изменение долей рынка производителей флэш-памяти NAND за последние шесть лет.
Поставки накопителей SSD на мировой рынок ведущими вендорами в млн. штук (данные TrendFocus).
Значительное влияние на рынок SSD оказала память 3D NAND, применяемая в настоящее время в продуктах Samsung серии 850 и 950. Другие вендоры активно работают в данном направлении и в следующем году наладят массовое производство флэш-памяти 3D — MLC и TLC. По оценкам SMI, уже в 2019 году вся флэш-память будет производиться по технологии 3D.
В первом квартале 2016 года поставки SSD в мире выросли на 32,7% год к году (данные TrendFocus). Их общая емкость составила порядка 10 экзабайт, на 77% превысив показатели годовалой давности. А средняя емкость одного накопителя увеличилась на 33%.
Доли производителей накопителей SSD на мировом рынке за последние кварталы (данные TrendFocus).
Устройства на основе памяти NAND активно вытесняют традиционные накопители на жестких дисках (HDD). Продажи последних за тот же период упали на 20%. Поставки флэш-накопителей корпоративного класса увеличились в первом квартале на 69%. В мире было продано примерно 4 млн. таких устройств.
Поставки продуктов SSD на мировой рынок за последние кварталы по видам применения – клиентские (синий) и корпоративные (красный) в млн. штук (данные TrendFocus).
Samsung, Intel и HGST – основные поставщики накопителей SSD корпоративного класса. Их совокупная доля рынка составляет 80%. Samsung также остается лидером мирового рынка SSD всех типов с долей более 40%.
Доли производителей SSD на мировом рынке (данные TrendFocus).
В системах для ответственных приложений продолжается переход с дисковых накопителей 10K/15K HDD на SSD, но, поскольку один накопитель SSD корпоративного класса заменяет по производительности несколько HDD, поставки флэш-памяти с интерфейсами PCIe и SAS невелики. В первом квартале в мере было продано 164 тыс. корпоративных SSD PCIe и 590 тыс. SSD SAS. Продажи SSD с интерфейсом SATA за тот же период составили 2,95 млн. устройств.
Поставки SSD корпоративного класса по типам интерфейсов (данные Trendfocus). Поставки устройств с интерфейсами PCIe и SAS растут, но довольно низкими темпами.
Повышение производительности SSD за счет перехода на форм-фактор NVMe и новые контроллеры способствовало внедрению флэш-памяти в высокопроизводительных системах, где она продолжает вытеснять традиционные накопители на жестких дисках.
Хотя цены на твердотельные накопители постепенно падают, стоимость хранения гигабайта данных на HDD пока еще значительно ниже. Но с появлением памяти 3D NAND цены на флэш-память стали быстро снижаться, и можно ожидать, что рынок корпоративных HDD, применяемых для хранения основных рабочих данных, начнет сокращаться.
По сравнению с жесткими дисками накопители SSD имеют намного более низкую задержку, в 1000 раз лучшую производительность в IOPS и в три-пять раз более высокую пропускную способность. В результате SSD получают все шансы заменить HDD в серверах уже в этом году. А в 2017 году, по прогнозу Gartner, объем продаж накопителей SSD в мире превысит продажи HDD в денежном выражении.
По прогнозу аналитиков Gartner, в 2017 году мировые продажи накопителей SSD корпоративного класса опередят продажи HDD. В ближайшие три года объем продаж продуктов SSD в корпоративном сегменте (в денежном выражении) будет расти в среднем на 20% в год, в то время как продажи HDD – лишь на 4%.
Технологии флэш-памяти корпоративного класса быстро развиваются, появляются новые форм-факторы накопителей, совершенствуются интерфейсы. Серверные SSD можно разделить на два основных больших сегмента: устройства NVMe с интерфейсом PCIe для самых требовательных задач и накопители SATA для остальных нагрузок.
Например, Dell применяет в новейших моделях четырехсокетных серверов PowerEdge накопители Express Flash NVMe PCIe SSD. По данным вендора, они на порядок превосходят по производительности ввода-вывода «традиционные» SSD.
Форм-факторы корпоративных накопителей SSD
Серверные флэш-накопители выпускаются в разнообразных форм-факторах:
Solid-State Drive (SSD): аналогичен традиционному HDD. Наиболее распространены SSD 3,5″, 2,5″ и 1,8″. Толщина накопителей может быть разной – от соответствующей HDD до 5 мм. Обычно они имеют интерфейсы SATA, SAS или NVMe. Так что именовать все флэш-накопители «SSD» формально неверно, но для простоты мы не следуем этому правилу.
Add-in card (AIC): типовая дополнительная плата, вставляемая в слот PCIe. Такие платы могут быть разных размеров: полной или половинной высоты и ширины, полной или половинной длины и низкопрофильные.
M.2: плата с флэш-памятью, устанавливаемая внутри сервера. Имеет ширину 22 мм и длину от 30 до 110 мм. Может устанавливаться в специальные слоты PCIe или SATA. Микросхемы флэш-памяти могут располагаться с одной стороны или с двух сторон платы. Потребляет такой накопитель меньше устройств SSD или AIC. Первоначально шина M.2 разрабатывалась как более скоростная и компактная замена mSATA.
mSATA: аналогичен форм-фактору M.2, но создан для портативных устройств, а не для серверов.
Disk on Module (DOM): маленький модуль на материнской плате. Обычно имеет небольшую емкость, достаточную для загрузки системы или для встроенных приложений.
NVDIMM (non-volatile DIMM): этот форм-фактор предназначен для установки твердотельного накопителя в разъем DIMM на шине памяти и содержит некоторое количество энергозависимой памяти DRAM и энергонезависимую NVDIMM. Накопители такого форм-фактора (Storage Class Memory) работают со скоростью оперативной памяти, то есть быстрее, чем устанавливаемые на шину PCIe, но требуют специальной поддержки на уровне материнской платы и BIOS/UEFI, чтобы система могла распознать разные типы памяти в DIMM.
Модуль NVDIMM-N содержит DRAM и NVM, но система видит только DRAM — стандартный RDIMM с характерными для DRAM емкостью и задержкой. К NVM сервер не обращается: эта память используется для резервирования DRAM и имеет как минимум такую же емкость как DRAM. Таким образом, хранящиеся в DIMM данные защищены от отказов питания: для этого используется специальный конденсатор, емкости которого достаточно, чтобы при отказе питания переписать данные в энергонезависимую память. В остальном NVDIMM-N ведет себя как обычный модуль DRAM. NVDIMM-N имеет также другое название — NVRAM.
Еще один тип модулей, NVDIMM-F, содержит только NVM (без DRAM). Накопитель NVM имеет емкость типовых SSD и поддерживает блочный доступ, но задержка у него меньше, чем у других SSD – обычно несколько микросекунд.
Третий тип, NVDIMM-P, включает DRAM и NVM, объединяя в одном модуле функции NVDIMM-N и NVDIMM-F. Одна область флэш-памяти в нем используется для блочного хранения, другая – для резервирования DRAM.
Наряду с форм-факторами флэш-накопители отличает также разнообразие интерфейсов.
Интерфейсы и протоколы флэш-накопителей
Во флэш-накопителях корпоративного класса применяются следующие интерфейсы:
SATA (Serial ATA): обычно используется в недорогих продуктах форм-факторов SSD, M.2, DOM и mSATA. Это интерфейс «точка-точка» со скоростью до 6 Гбит/с.
SAS (Serial Attached SCSI): применяется, как правило, в устройствах SSD и HDD корпоративного класса. Поддерживает до 65535 устройств на соединение. Он получил распространение в массивах корпоративного класса, JBOD и серверах. В настоящее время скорость SAS — 12 Гбит/с, в 2018-2019 годах, после выпуска PCIe 4.0 ожидается ее удвоение.
U.2 (ранее SFF-8639): поддерживается в PCIe/NVMe SSD. U.2 обратно совместим с SAS, то есть к нему можно подключать устройства NVMe, SAS и SATA.
PCI Express (PCIe): поддерживает устройства форм-факторов AIC и M.2. У AIC 4 линии, а не 16, как у PCIe. Соответственно скорость – 8 Гбит/с. Устройства M.2 обычно задействуют 2 или 4 линии PCIe. Интерфейс PCIe 2.0 x2 имеет теоретическую пропускную способность 8 Гбит/с (1 Гбайт/с), у PCIe 2.0 x4 она составляет 16 Гбит/с (2 Гбайта/с), у PCIe 3.0 x4 32 Гбит/с (4 Гбайт/с), однако реальная пропускная способность примерно на 20% ниже.
DIMM: теперь используется не только в качестве интерфейса памяти, но и в продуктах хранения данных. Модули памяти DDR4 поддерживают скорость до 19,2 Гбайт/с, а задержка составляет десятки наносекунд.
Различаются флэш-накопители и поддерживаемыми протоколами. Протокол – набор команд для конкретного интерфейса. Так интерфейс SATA поддерживает протокол SATA, SAS – SAS (или SCSI). Относительно новый протокол NVMe разработан специально для энергонезависимой памяти. Для выполнения запроса ввода-вывода он требует меньше команд процессора. NVMe также использует распараллеливание операций в многоядерных процессорах. Поддерживается 64К команд на очередь и 64К очередей, то есть возможно значительное число ожидающих операций ввода-вывода.
Одна из целей разработки NVMe – значительное сокращение задержки. В настоящее время NVMe поддерживается накопителями любого форм-фактора с интерфейсом PCIe. Однако устройства NVMe достаточно дороги.
В планах развития NVMe – протокол NVMe over Fabrics, которых позволит NVMe работать на больших расстояниях, используя фабрики RDMA или Fibre Channel.
SSD в дата-центрах: бездисковый ЦОД
Сегодня SSD нередко применяют в сочетании с HDD для кэширования данных при чтении или чтении/записи. Этот метод хорошо работает для повышения производительности приложений в случае внешних флэш-массивов, но еще лучше – когда флэш-память находится в самом сервере, ближе к процессору.
Флэш-накопители отвечают таким тенденциям отрасли, как обработка массивов данных в памяти (in-memory), виртуализация и облачные сервисы, появляются новые возможности для оптимизации хранения данных. И в результате полностью меняется экономика ЦОД.
В ряде случаев компаниям за счет внедрения флэш-массивов удается на треть снизить TCO на 33%, многократно увеличить производительность инфраструктуры хранения данных, почти вдвое сократить потребление электроэнергии, более чем на порядок повысить производительность приложений и на 40% уменьшить время отклика при работе с ними, более чем наполовину снизить стоимость поддержки инфраструктуры хранения данных. Владельцам коммерческих ЦОД данные технологии позволяют при заключении соглашений SLA на облачные сервисы гарантировать клиентам определенную скорость доступа к СХД (в IOPS).
Семейство твердотельных накопителей Intel для центров данных с интерфейсом SATA пополннео накопителем Intel серии S3610. Intel DC серии S3710 — новое поколение твердотельных накопителей для центров обработки данных, оптимизированных для нагрузок как с большим количеством операций записи, так и чтения.
Твердотельный накопитель Intel серии DC S3610 обеспечивает повышение скорость чтения/записи до 550/5201 Мбайт/с, а скорость чтения/записи блоками по 4 К — до 84 000/28 0001 IOPS. Типичное время задержки в приложениях составляет 55 мкс, максимальные задержки операций чтения — 500 мкс на протяжении 99,9% времени. Энергопотребление в активном состоянии — менее 6,8 Вт.
Флэш-накопители оказывают влияние и на веб-хостинг, облачные вычисления. Более того, объединенные в RAID-массив они позволяют получить производительность в облаке, которая не может быть достигнута на домашнем ПК. Иногда клиентам предоставляется возможность самостоятельно оценить, что дает использование SSD корпоративного уровня для виртуальных серверов.
Ведущие провайдеры все чаще используют SSD в серверах, которые служат платформой для виртуальных серверов клиентов (VPS), на которых обычно и размещаются веб-сайты. Такой вариант хостинга стоит дороже, но оптимален для высоконагруженных сайтов (с большим количеством операций ввода-вывода), например, сайтов, где работают базы данных, размещаются блоги или форумы, сайтов электронной коммерции и пр. Однако у него есть свои сложности.
Флэш-память в серверах: емкость и ограничения
Емкость твердотельных накопителей для серверов стремительно растет и скоро может превзойти емкость HDD. Например, Samsung выпустила SSD в форм-факторе 2,5″ емкостью 15 Тбайт. С увеличение плотности флэш-памяти NAND накопители становятся все более компактными. Так твердотельный накопитель форм-фактора M.2 можно использовать как очень быстрый загрузочный носитель, занимающий в сервере намного меньше места, чем 2,5″ HDD.
Между тем, у серверных SSD есть ограничения. И это не только подчас запредельная цена и превышающая показатели HDD стоимость хранения гигабайта данных. Такую емкость достаточно трудно сделать общедоступной, разделяемой между вычислительными узлами системы, хотя некоторые ОС и гипервизоры позволяют создавать такие кластеры, например, VMware VSAN 6.2 или Microsoft Server 2016 с поддержкой Storage Spaces Direct. Такие программные средства позволяют строить высокодоступные системы со встроенными накопителями SATA, SAS или NVMe, причем поддерживают сжатие, дедупликацию данных и QoS.
Оснащенные SSD серверы позволяют эффективно решать такие задачи как редактирование видео, поиск в крупных базах данных, обработка транзакций, дают возможность устранить узкие места в средах виртуализации и облачных вычислениях.
Современные SSD достаточно долговечны и способны выдержать пять лет интенсивного использования, то есть вполне вписываются в жизненный цикл сервера.
По сравнению с жесткими дисками накопители SSD имеют намного более низкую задержку, в 1000 раз лучшую производительность в IOPS и в три-пять раз более высокую пропускную способность. В результате SSD получают все шансы заменить HDD в серверах уже в этом году. А в 2017 году, по прогнозу Gartner, объем продаж SSD в мире превысит продажи HDD в денежном выражении.
Между тем при использовании SSD большинство контроллеров RAID в режиме RAID 5 становятся узким местом в системе, поэтому для защиты данных рекомендуют использовать RAID 1 или 10 в программной реализации. А для задач с интенсивной записью (сбор данных от датчиков, запись видео и пр.) могут потребоваться SSD с увеличенным сроком службы – их выпускают несколько вендоров.
Флэш-память в СХД: что это дает
Показательны также примеры использования флэш-памяти нового поколения ведущими вендорами в своих флагманских СХД.
HPE продолжает работать над оптимизацией своей флэш-системы 3PAR. Для этих целей используются новейшее поколение флэш-памяти 3D NAND в накопителях емкостью 7.68 и 15,36 Тбайт. Последний более чем в 15 раз превосходит HDD 1,8″ 10K при в 10 раз меньшей задержке. Усовершенствованная технология HPE Adaptive Sparing динамически присваивая не только резервную, но и неиспользуемую емкость, что помогает процессу внутренней «сборки мусора» накопителя при больших емкостях. Чтобы с увеличением общей емкости системы узким местом не стал интерфейс доступа к данным, используется технология Express Layout, позволяющая обоим контроллерам в паре узлов параллельно работать с SSD через интерфейс SAS 12 Гбит/c.
Флэш-память становится массовым продуктом, «бездисковый» ЦОД, целиком построенный на флэш-накопителях – уже реальность, на подходе новые накопители SSD и интерфейсы, активно развиваются направления Storage Class Memory и NVMe.
Есть также целый ряд приложений, которым не нужны высокие показатели IOPS, но требуется очень малая и предсказуемая задержка. Новое поколение накопителей как нельзя лучше подходит для подобных задач.
В СХД Dell SC9000 используется новая серверная платформа Dell PowerEdge с четырьмя 8-ядерными процессорами 3,2 ГГц и оперативной памятью емкостью до 512 Гбайт. Емкость флэш-массива составляет до 46 Тбайт на 1U (без сжатия данных). Такой плотности удалось добиться благодаря применению в СХД трехуровневой флэш-памяти Samsung TLC 3D NAND. Чтобы увеличить срок службы 3D NAND, инженеры Dell задействовали механизм тиринга — перемещения данных между уровнями хранения. Первый уровень представлен флэш-памятью SLC или eMLC, выдерживающей большое количество циклов перезаписи, второй — памятью 3D NAND, в которую записываются относительно редко используемые данные, причем в сжатом виде. В некоторых моделях есть и третий уровень — HDD. Для еще более экономного использования емкости хранения можно задействовать механизмы дедупликации. Конфигурацию системы (соотношение емкости разных видов флэш-памяти и жестких дисков) можно подбирать с учетом характера нагрузки.
Перспективы флэш-памяти
С внедрением технологии 3D NAND значительно выросла плотность флэш-памяти. Ближайшее будущее (2017 год) – появление на рынке флэш-памяти QLC с четырьмя битами на ячейку стоимостью 30 долларов за терабайт емкости. Емкость SSD превысит емкость дисковых накопителей, которая приближается к физическому пределу. Уже анонсированы SSD емкостью 16 Тбайт, и к 2020 году появятся флэш-память емкостью 40 Тбайт на устройство.
В числе новых разработок — память X-Point от Intel/Micron, которая поспорит по скорости с накопителями NVMe, но потребует изменений в системном программном обеспечении. Ее массовое внедрение может начаться в 2017 году.
Samsung анонсировала четвертое поколение 3D NAND – с 64 слоями вместо 48 и увеличенной до 800 Мбит/м скоростью интерфейса. Емкость накопителя размером 11,5х13 мм на памяти TLC составляет 1 Тбайт. На смену прежнему продукту 16TB PM1633a SAS SSD приходит новый накопитель 32TB PM1643, а карта PM1725 PCIe дополнена моделью PM1735 с интерфейсом PCIe 4×8.
Lenovo вместе с партнерами, такими как Seagate, NxGn Data и Amphenol, ведет разработку твердотельного накопителя для серверов и систем хранения (Project Spark). Накопитель Lenovo отличается небольшими размерами и предназначен для установки в стоечные серверы 1U, поддерживает горячую замену. Одна из версий этого накопителя имеет емкость 48 Тбайт и занимает место двух 2,5-дюймовых накопителей.
Уже сегодня твердотельные накопители для ЦОД повышают эффективность обработки данных, предлагает премиум-качество и снижают затраты на электроэнергию. Новые разработки открывают перспективы, которые сейчас даже трудно себе представить, и могут привести к радикальным изменениям в архитектуре вычислительных систем и дата-центров.
