PowerEdge. Ответы на часто задаваемые вопросы о твердотельных накопителях с серверами и системами хранения данных.

В этой статье приводятся ответы на часто задаваемые вопросы о твердотельных накопителях (SSD) Dell.

Содержание

1. В чем преимущества твердотельных накопителей?
2. В чем преимущества твердотельных накопителей Dell?
3. Какие бывают типы твердотельных накопителей?
4. В каких случаях лучше всего использовать и применять SSD?
5. Почему иногда возникает снижение производительности записи при сравнении старого накопителя и нового?
6. Сохранение данных: Я отсоединил свой твердотельный накопитель и поместил его в систему хранения данных. Сколько мои данные будут храниться на накопителе без его подключения?
7. Что такое избыточное выделение?
8. Что такое выравнивание износа?
9. Что такое чистка памяти?
10. Что такое код коррекции ошибок (ECC)?
11. Что такое коэффициент усиления записи (WAF)?
12. Какие действия предпринимают твердотельные накопители для ограничения вероятности повреждения ячеек из-за чрезмерно интенсивной записи?
13. Как рассчитывается срок полезной службы твердотельного накопителя?
14. Что такое функции TRIM и UNMAP и поддерживают ли их корпоративные SSD Dell?
15. Как твердотельные накопители поддерживают целостность данных?
16. Как реабилитировать твердотельные накопители?
17. Какие настройки приложения и операционной системы рекомендуются?
18. Что такое управление долговечностью?
19. Какую гарантию поддерживают твердотельные накопители Dell?

Глоссарий:

Сохранение данных:
Сохранение данных — это промежуток времени, в течение которого ROM сохраняет точную читаемость. Он указывает на то, как долго ячейка будет поддерживать запрограммированное состояние, когда набор микросхем отключен от питания. Сохранение данных чувствительно к количеству циклов P/E (Program/Erase) на ячейке флэш-памяти и также зависит от условий окружающей среды. Высокая температура, как правило, сокращает продолжительность хранения. Количество циклов чтения также может уменьшить срок хранения.
 
Program/Erase (P/E) Cycle:
В флэш-накопителе NAND система хранения данных организуется путем применения транзисторов плавающих шлюзов, которые образуют шлюз NAND. Таким образом, незапрограммированное состояние бита —1; операция программирования добавляет заряд в плавающий шлюз, и итоговый бит становится 0. Обратная операция (очистка) извлекает сохраненный заряд и возвращает состояние к 1. Операции программирования и стирания вызывают износ оксидного слоя, изолирующего плавающий шлюз. Именно поэтому срок жизни флэш-накопителей NAND ограничен (30 тыс.–1 млн циклов программирования/стирания номинально для SLC, 2,5 тыс.–10 тыс. циклов программирования/стирания для MLC, 10 тыс.–30 тыс. циклов программирования/стирания для eMLC).
 
Уровень трансляции флэш-памяти (FTL).
Уровень трансляции флэш-памяти — это программный уровень, который позволяет использовать флэш-память со стандартными файловыми системами в вычислительной технике. FTL это слой преобразования между файловой системе на основе секторов и набором микросхем на флэш-основе NAND . Он позволяет операционной системе и файловой системе получать доступ к устройствам флэш-памяти NAND так же, как к дисковым накопителям. An FTL скрывает сложность флэш-памяти, предоставляя флэш-устройству интерфейс логических блоков. Поскольку флэш-память не поддерживает перезапись флэш-страниц в состоянии покоя, FTL сопоставляет логические блоки с физическими флэш-страницами и стирает блоки.
 
Метаданные.
Метаданные используются для управления сохраненной информацией или данными во флэш-памяти NAND . Обычно метаданные включают таблицу сопоставления логических и физических адресов для сохраненной информации, информацию об атрибутах сохраненной информации и все другие данные, которые могут помочь в управлении сохраненной информацией.
 
Виртуальный пул.
Виртуальный пул — это группа стертых блоков NAND , готовых к программированию.

1. В чем преимущества твердотельных накопителей?

В отличие от жестких дисков, в которых для хранения данных используется вращающаяся пластина, твердотельные накопители используют наборы микросхем твердотельной памяти NAND. Жесткие диски имеют несколько разных подвижных механических частей, которые делают их подверженными повреждению при перемещении. Твердотельные накопители не имеют движущихся деталей и менее подвержены повреждениям при обращении, даже при воздействии на них во время использования.
SSD обеспечивают сверхвысокую производительность I/O операций в секунду (IOPS) и низкую задержку для серверов и приложений хранения данных с интенсивным использованием транзакций. Правильно используемые в системах с жесткими дисками, они снижают совокупную стоимость владения (TCO) за счет низкого энергопотребления и низкой рабочей температуры.

В начало

2. В чем преимущества твердотельных накопителей Dell?

Корпорация Dell тщательно следит за тем, чтобы заказчикам предоставлялись высококачественные твердотельные накопители, необходимые для ресурсоемких корпоративных приложений.

Для этого принимаются приведенные ниже меры.

• Начальная квалификация поставщика и постоянная проверка качества
• Создание специальных микропрограмм
• Управление спецификацией материалов и всестороннее тестирование надежности
• Текущие сертификации качества продукции

Все твердотельные накопители Dell Enterprise разработаны для точного соответствия системам Dell Enterprise и предоставления заказчикам оптимальной производственной среды. В последнее время в отрасли жестких дисков наблюдается консолидация поставщиков и стандартизация дисков. В случае твердотельных накопителей ситуация иная. Существует множество производителей SSD, и корпорация Dell не гарантирует какой-либо уровень функциональности или совместимости на серверах Dell при использовании SSD, которые не были приобретены в компании Dell.

В начало

3. Какие бывают типы твердотельных накопителей?

SSD на основе флэш-памяти, как правило, демонстрируют более низкую задержку по сравнению с жесткими дисками, часто обеспечивая ускоренное время отклика. Для рабочих нагрузок произвольного чтения SSD обеспечивают более высокую пропускную способность по сравнению с обычными жесткими дисками.
 
На базе флеш-памяти NAND

• SLC, или одноуровневая ячейка, обеспечивает хранение одного бита информации для каждой ячейки памяти NAND. SLC NAND предлагает относительно высокие скорости чтения и записи, высокую надежность и относительно простые алгоритмы коррекции ошибок. SLC обычно является наиболее дорогой технологией NAND. Для дисков SLC технические характеристики каждой ячейки обеспечивают срок службы приблизительно на 100 000 записей. Количество операций чтения не ограничено. Диски SLC лучше подходят для корпоративных сред из-за своей долговечности. Они могут быть слишком дорогими в пользовательских приложениях.
• Технология MLC (многоуровневая ячейка) в целом менее надежна, чем SLC, так как в каждой ячейке хранится два бита. Если одна ячейка будет потеряна, это будет означать потерю двух битов. Для дисков MLC технические характеристики каждой ячейки обеспечивают срок службы от 3000 до 5000 записей. Такие диски обычно доступны в большей емкости и менее дорогостоящие. SSD на базе технологии MLC используются в корпоративных приложений для развертывания техник интеллектуального управления, например избыточного выделения и управления долговечностью (определения см. ниже в данном документе).
• eMLC, или корпоративный MLC является вариантом технологии MLC , полученным из высококачественной части пластины NAND и запрограммированным уникально для увеличения циклов очистки. eMLC обеспечивает уровни долговечности 30 000 циклов записи, в то время как в некоторых новейших MLC всего 3000 циклов записи. eMLC идет на компромисс для обеспечения этой долговечности, отказываясь от хранения данных. eMLC устраняет эту проблему, удлиняя цикл программирования внутренней страницы микросхем флэш-памяти (tProg), который обеспечивает более эффективную и длительную запись данных, но снижает производительность записи. Поскольку твердотельные накопители eMLC по долговечности записи находятся где-то между MLC и SLC, их цена обычно также промежуточная. Путем добавления усовершенствованных техник управления долговечностью эту технологию можно успешно использовать в корпоративных приложениях общего назначения.

На основе интерфейса хоста

• SSD SATA: SSD SATA основаны на стандартном отраслевом интерфейсе SATA. SSD SATA обеспечивают разумную производительность для корпоративных серверов.
• SSD SAS: SSD SAS основаны на стандартном отраслевом интерфейсе SAS. В SSD SAS сочетается высочайшая надежность, обеспечение целостности и отказоустойчивости данных, что делает их подходящими для корпоративных приложений.

В начало

4. В каких случаях лучше всего использовать и применять SSD?

Твердотельные накопители лучше всего подходят для приложений, которым требуется максимальная производительность. Приложения с интенсивным вводом-выводом, например базы данных, интеллектуальный анализ данных, организация хранения данных, аналитика, торговля, высокопроизводительные вычисления, виртуализация серверов, веб-обслуживание задач и системы электронной почты лучше всего подходят для применения SSD.

• SSD SLC являются предпочтительной технологией для кэширования записи и приложений кэширования чтения с несистематизированными операциями чтения и интенсивной записью.
• SSD eMLC становятся все более предпочтительным вариантом при работе с сочетанием операций чтения и записи, особенно полезными при ограниченном бюджете.
• SSD MLC — это наиболее экономичное решение для приложений с интенсивным чтением, например для доступа к таблице базы данных.

Типы SSD, приложения и сценарии применения

В начало

5. Почему иногда возникает снижение производительности записи при сравнении старого накопителя и нового?

Твердотельные накопители предназначены для использования в средах, где выполняется больше операций чтения, чем записи. Чтобы диски работали в течение указанного гарантийного периода, в накопители MLC встроен механизм управления долговечностью. Если диск прогнозирует, что срок службы закончится до завершения гарантии, он использует механизм ограничения для замедления скорости записи.

В начало

6. Я отсоединил свой твердотельный накопитель и поместил его в систему хранения данных. Сколько мои данные будут храниться на накопителе без его подключения?

Это зависит от того, как часто используется флэш-память (количество использованных циклов P/E), типа флэш-памяти и температуры хранения. В накопителях MLC и SLC этот срок может составлять всего 3 месяца, а в лучшем случае при идеальных условиях — более 10 лет. Хранение в значительной мере зависит от температуры и рабочей нагрузки.

В начало

7. Что такое избыточное выделение?

Избыточное выделение — это техника, которая используется при проектировании твердотельных флэш-накопителей и флэш-медиакарт. Предоставляя дополнительную емкость памяти (к которой у пользователя нет доступа), контроллер SSD может с большей легкостью создавать предварительно очищенные блоки, которые готовы к использованию в виртуальном пуле. Избыточное выделение улучшает:

• Производительность записи и операций ввода-вывода в секунду
• Надежность и долговечность

В начало

8. Что такое выравнивание износа?

NAND Флэш-память подвержена износу из-за повторяющихся циклов программирования и очистки, которые обычно выполняются в приложениях и хранилищах данных с использованием слоя преобразования флэш-памяти (FTL). Постоянное программирование и очистка данных в одном и том же месте памяти в конечном итоге приводит к износу этого сегмента и делает его нерабочим. В результате срок службы флэш-памяти NAND ограничен. Для предотвращения таких ситуаций в твердотельном накопителе реализованы специальные алгоритмы, которые называются выравниванием износа. Как видно из термина, выравнивание износа обеспечивает равномерное распределение циклов программирования и очистки по всем блокам памяти SSD. Это предотвращает непрерывное выполнение циклов программирования и стирания в одном блоке памяти, что увеличивает срок службы флэш-памяти NAND в целом.

Существует два типа выравнивания износа: динамический и статический. Алгоритм динамического выравнивания износа гарантирует, что циклы программирования и очистки данных будут равномерно распределены по всем блокам во флэш-памяти NAND. Алгоритм является динамическим, поскольку он выполняется каждый раз, когда данные в буфере записи диска очищаются и записываются во флэш-память. Динамическое выравнивание износа само по себе не может гарантировать, что износ всех блоков выровнен одинаково. Существуют особые случаи, когда данные записываются и хранятся во флэш-памяти в течение длительного периода времени или бесконечно. В то время как другие блоки меняются, очищаются и перемещаются в пул, эти блоки не задействованы в процедуре выравнивания износа. Чтобы убедиться, что износ всех блоков выровнен одинаково, применяется дополнительный алгоритм выравнивания износа, который называется статическим. Статическое выравнивание износа относится к неактивным блокам, в которых хранятся данные.

В твердотельных накопителях Dell используются как статические, так и динамические алгоритмы выравнивания износа, которые обеспечивают равномерный износ блоков NAND для увеличения срока службы SSD.

В начало

9. Что такое чистка памяти?

Флэш-память состоит из ячеек, в каждой из которых хранится один или несколько битов данных. Эти ячейки сгруппированы в страницы, представляющие собой наименьшие отдельные места, в которые можно записать данные. Страницы собираются в блоки, представляющие собой наименьшие отдельные места, которые можно очищать. Флэш-память невозможно перезаписать напрямую, как жесткий диск; сначала ее необходимо очистить. Таким образом, хотя пустая страница в блоке может быть записана напрямую, она не может быть перезаписана без предварительного стирания всего блока страниц.

По мере использования диска данные изменяются, а измененные данные записываются на другие страницы блока или в новые блоки. Старые (устаревшие) страницы помечаются как недопустимые и могут быть восстановлены путем очистки всего блока. Однако для этого необходимо переместить в другой блок всю еще рабочую информацию на всех других занятых страницах. Из-за требования перемещения рабочих данных и очистки блоков перед записью новых данных в этот блок приводит к усилению записи; общее количество операций записи, необходимых во флэш-памяти, выше, чем исходно запрашивал хост-компьютер. Это также приводит к тому, что SSD выполняет операции записи с меньшей скоростью, когда он занят перемещением данных из блоков, которые необходимо очистить, одновременно записывая новые данные с хост-компьютера.

Контроллеры SSD используют технологию чистки памяти, чтобы освободить ранее записанные блоки. Этот процесс также объединяет страницы путем перемещения и записи страниц из нескольких блоков для заполнения меньшего количества новых. Затем старые блоки очищаются, освобождая место для хранения новых поступающих данных. Тем не менее, так как блоки флэш-памяти можно записать только ограниченное количество раз, необходимо также выполнять выравнивание износа всего SSD, чтобы избежать необратимого износа одного блока.

В начало

10. Что такое код коррекции ошибок (ECC)?

Ухудшение ячейки флэш-памяти со временем и перебои в работе со стороны соседних страниц флэш-памяти может привести к произвольным ошибкам битов в сохраненных данных. Хотя вероятность повреждения конкретного бита данных мала, из-за огромного количества битов данных в системе хранения вероятность их повреждения становится реальной.
 
В системах хранения на основе флэш-памяти для защиты данных от повреждения используются обнаружение ошибок и коды исправления. Твердотельные накопители Dell оснащены самым совершенным в отрасли алгоритмом ECC для достижения корпоративного уровня коэффициента неустранимых ошибок бита в 10–17 процентов.

В начало

11. Что такое коэффициент усиления записи (WAF)?

Коэффициент усиления записи — это объем данных, который контроллер твердотельного накопителя должен записать, в отношении к объему данных, который хост-контроллер хочет записать. Идеальный коэффициент усиления записи составляет 1 — это означает, что вы хотели записать 1 Мбайт, и контроллер твердотельного накопителя записал 1 Мбайт. Коэффициент усиления записи выше 1 нежелателен, но, к сожалению, совершенно реален. Чем выше усиление записи, тем быстрее диск изнашивается и тем ниже становится его производительность.

Данные, записанные во флэш-память
--------------------------------------- = Усиление записи
Данные, записанные хостом

В начало

12. Какие действия предпринимают твердотельные накопители для ограничения вероятности повреждения ячеек из-за чрезмерно интенсивной записи?

Dell использует следующие техники, позволяющие избежать повреждения ячеек флэш-памяти и увеличить срок службы твердотельного накопителя:

• Использование лишних ресурсов: процесс увеличения резервного пространства на твердотельном накопителе. Это увеличивает доступный пул ресурсов, «готовых для записи», что уменьшает усиление записи. Поскольку фоновое перемещение данных требуется меньше, производительность и долговечность повышаются.
  Например, накопитель с полезной емкостью 100 Гбайт будет иметь дополнительную скрытую емкость 28 Гбайт. Этот остаток емкости будет использоваться для выравнивания износа.
• Выравнивание износа: в твердотельных накопителях Dell используется статическое и динамическое выравнивание износа. Выравнивание износа позволяет сопоставлять данные с разными участками диска, чтобы избежать слишком частой записи в одну и ту же ячейку.
• Чистка памяти: в твердотельных накопителях Dell реализована сложная усовершенствованная техника чистки памяти. «Процесс чистки памяти» устраняет необходимость выполнять очистку всего блока перед каждой записью. Он накапливает данные, помеченные для очистки как «мусор», и выполняет очистку всего блока для освобождения места и повторного использования блока, часто выполняя это в фоновом режиме, когда диск не занят операциями I/O.
• Буферизация и кэширование данных: твердотельные накопители Dell используют динамическое ОЗУ для буферизации данных, выполняя кэширование, чтобы свести к минимуму увеличение объема записи и вероятность повреждения ячеек из-за чрезмерно интенсивной записи.

В начало

13. Как рассчитывается срок полезной службы твердотельного накопителя?

Срок полезной службы SSD определяется тремя основными параметрами: флэш-технологией NAND SSD, емкостью накопителя и моделью использования приложений. Как правило, для определения продолжительности работы накопителя можно использовать следующий калькулятор срока службы.

Срок службы [годы] = (долговечность [циклы программирования/стирания] * емкость [физическая, байты] * коэффициент использования лишних ресурсов) / (скорость записи [бит/с] * рабочий цикл [циклы] * запись % * WAF) / (36 *24* 3600)

Параметры:

• Долговечность NAND P/E Цикл: 100K SLC, 30K EMLC, 3K MLC
• Емкость: полезная емкость SSD
• Коэффициент использования лишних ресурсов: использование лишних ресурсов памяти NAND в процентах
• Скорость записи:

скорость записи в байтах в секунду:

• Рабочий цикл: используемый рабочий цикл
• Запись %: процент операций записи при использовании SSD
• WAF: коэффициент усиления записи контроллера, рассчитанный на основе сценария использования приложения

В начало

14. Что такое функции TRIM/UNMAP и поддерживают ли их корпоративные твердотельные накопители Dell?

Некоторые операционные системы поддерживают функцию TRIM, которая преобразует удаленные файлы в связанный LBA (адрес логического блока) на устройстве хранения данных (SSD). Для SATA эта команда также называется TRIM; для SAS она называется UNMAP. Команда TRIM/UNMAP уведомляет накопитель о том, что он больше не нуждается в данных в определенных LBA, что освобождает несколько страниц NAND .

Команду TRIM/UNMAP должны поддерживать ОС, накопитель и контроллер. Команда TRIM/UNMAP может повысить производительность SSD, так как сокращается объем данных, которые необходимо перезаписывать при очистке памяти, и высвобождается больше свободного места на накопителе. Текущие поставляемые накопители Dell корпоративного класса имеют достаточно высокую производительность и долговечность, поэтому они пока не поддерживают эти команды, даже если их поддерживает ОС. В настоящее время эти функции изучаются для последующих предложений твердотельных накопителей Dell.

В начало

15. Как SSD поддерживают целостность данных?

Целостность данных твердотельных накопителей Dell поддерживается следующими способами:

• Надежный код коррекции ошибок (ECC)
• Защита контрольной суммы канала передачи данных
• Несколько копий метаданных и микропрограммы
• Защита контрольной суммы метаданных
• Надежный дизайн контура для обеспечения стабильного питания флэш-памяти NAND

Защита от внезапного отключения питания
По сравнению с жесткими дисками твердотельные накопители более устойчивы к ударам, потребляют меньше энергии, ускоряют доступ и повышают производительность чтения. Тем не менее, некоторые SSD рискуют получить повреждение данных и файловой системы в случае внезапного отключения питания. Эффективный механизм защиты данных при сбое электропитания должен функционировать до и после сбоя электропитания, чтобы обеспечить комплексную защиту данных.
Корпоративные SSD Dell содержат аппаратные и микропрограммные функции защиты данных от сбоев электропитания. Они включают схему обнаружения сбоя питания, которая выполняет мониторинг подачи напряжения и отправляет на контроллер диска сигнал, если напряжение падает ниже заранее установленного порогового значения. В этом случае твердотельный накопитель отсоединяется от источника подачи питания и выполняет действия, необходимые для перемещения временных данных буфера и метаданных во флэш-память NAND. В накопителе реализованы встроенная схема и конденсатор удержания питания, которые обеспечивают достаточно питания для выполнения этой операции. Конденсатору удержания выделяется многократное избыточное количество ресурсов, чтобы гарантировать достаточно питания для срока службы диска. 

В начало

16. Как реабилитировать твердотельные накопители?

Твердотельные накопители можно реабилитировать, перезаписав всю емкость диска несколько раз. Корпорация Dell в настоящее время изучает функции безопасной очистки и самошифрования на самошифруемых (SED) SSD для будущих выпусков. Эти техники позволяют очистить SSD быстрее и эффективнее. 

В начало

17. Какие настройки приложения и операционной системы рекомендуются?

• Согласование ввода-вывода: согласование ввода-вывода может невероятно повысить производительность и долговечность SSD. Согласование ввода-вывода для SSD обеспечивает устройству эффективное управление записью NAND, а также позволяет повысить долговечность SSD за счет сокращения количества операций чтения, изменения и записи, которые приводят к лишней записи в фоновом режиме.
• Изменение глубины очереди: глубина очереди является важным фактором для систем и устройств хранения данных. Для повышения эффективности можно увеличить глубину очереди устройств с твердотельными накопителями, что позволит эффективнее обрабатывать операции записи и также может помочь уменьшить усиление записи, которое влияет на долговечность диска.
• Используйте функцию TRIM: См. раздел 15.
• Отключите дефрагментацию диска: в случае магнитных дисков дефрагментация организует диск таким образом, чтобы секторы с данными находились близко друг от друга для повышения производительности. Однако на твердотельных накопителях такое сближение данных не улучшает работу, так как SSD получают доступ к данным с одинаковой скоростью независимо от их местоположения. Таким образом, дефрагментация SSD не требуется и может привести к дополнительному износу NAND .
• Отключите индексирование: Индексирование обычно ускоряет поиск на жестком диске. На твердотельных накопителях оно не дает преимуществ. Так как индексирование постоянно пытается поддерживать базы данных файлов в системе и в ее свойствах, оно влечет за собой множество маленьких операций записи, которые не являются сильной стороной твердотельных накопителей. Однако SSD превосходно подходят для чтения, поэтому накопитель сможет быстро получить доступ к данным даже без индекса.

В начало

18. Что такое управление долговечностью?

Использование алгоритма управления долговечностью гарантирует, что в течение гарантийного периода для диска будет доступно достаточно циклов программирования/очистки (P/E). Микропрограмма ограничивает операции записи, если они слишком интенсивные. Тем не менее, заказчики редко сталкиваются с перебоями производительности, если SSD используется в предназначенном для него сценарии.

В начало

19. Какую гарантию поддерживают твердотельные накопители Dell?

1. SSD SATA, SAS, NVMe (U.2) — накопители, используемые в серверных продуктах**, имеют 3-летнюю гарантию. Ее можно продлить до полной продолжительности гарантии на сервер при наличии ProSupport или гарантии более высокого уровня.
2. SSD NVMe (PCIe) — накопители, используемые в серверных продуктах, имеют гарантию на сервер сроком до 5 лет. Ее можно продлить до полной продолжительности гарантии на сервер при наличии ProSupport или гарантии более высокого уровня.
   1. SSD SATA, SAS и NVMe корпоративного класса (U.2), приобретенные в качестве компонентов Dell Technologies:
      • Серверные продукты PowerEdge не поддерживают приобретение расширенной гарантии, действующей после 3 лет с первоначальной даты поставки, если они не приобретаются с отдельным предложением услуг, например ProSupport или ProSupport Service.
      • Продукты категории Storage покрываются гарантией на систему, но не дольше, например, если на системы действует 3-летняя гарантия, то гарантия на SSD также составляет 3 года и не более. При продаже с сервером гарантия не превышает 3 лет. Контракт на поддержку ProSupport (или выше) продлевает гарантию на весь срок гарантии на сервер.​​​​​​​
   2. Для SSD PowerEdge Express Flash PCI Express (PCIe) предоставляется такой же срок ограниченной гарантии на оборудование, что и для системы Dell, с которой поставляется SSD PowerEdge Express Flash PCIe. SSD PowerEdge Express Flash PCIe не поддерживают приобретение расширенной гарантии, действующей после 5 лет с первоначальной даты поставки, если они не приобретаются с отдельным предложением услуг, например ProSupport или ProSupport Plus.

В начало