Live Optics | Average Daily Writes

Die drei wichtigsten Einwände gegen die Implementierung von SSDs in einer Umgebung betreffen Kosten, Geschwindigkeit und Langlebigkeit. Glücklicherweise bietet die Industrie in allen drei Kategorien gute Optionen.

In diesem Briefing geht es um Preis und Leistung, aber vor allem um die Langlebigkeit, insbesondere um das Thema „Drives Writes Per Day“ (DWPD), das zu einem Standard für die Angabe von Verschleiß oder Erwartungen an die Haltbarkeit von SSD-Festplatten geworden ist.

Preis und Kapazität
NAND ist die zugrundeliegende Technologie, die in USB- oder SSD-„Flashspeicher“ zu finden ist und deren Preis kontinuierlich sinkt. Hauptgründe für diese Kostensenkung sind Änderungen in der Art und Weise, wie NAND hergestellt wird. Zwei gängige Praktiken sind (1) die Erhöhung der Anzahl der Bits pro Zelle, wodurch MLC- und TLC-Technologie entsteht, und (2) das, was als 3D- oder V-NAND-Technologie bezeichnet wird, wobei diese Zellen vertikal gestapelt werden. TLC- und 3D-Techniken werden häufig kombiniert, um die heutigen kostengünstigen SSD-Festplatten mit hoher Kapazität herzustellen.

Leistung
Kapazität und Preis der SSDs profitierten zwar von diesen Fortschritten in der Fertigung, aber Leistung und Haltbarkeit wurden durch die Einführung in Unternehmen in Frage gestellt. Es gibt eine große Diskussion bezüglich der Schreibleistung auf SSDs mit High-Bit-Cell NAND (TLC), da dieses längere Programmierzyklen benötigt. Die SSD-Schreibleistung wird jedoch im Wesentlichen vom SSD-SoC (System on Chip) bestimmt, weshalb die Firmware dieses Problem entschärft.

Die erhöhte Kapazität hat auch dazu beigetragen, dieses Problem zu lösen. Laufwerke sind selten zu 100 % voll und die Firmware kann diese Tatsache nutzen, um einen Prozess namens Garbage Collection durchzuführen, der proaktiv das Schreiben von Speicherplatz vorbereitet, sodass die Verzögerung durch Vorbereitung bei Schreibvorgängen gemindert wird. Da SSDs nicht die gleichen Verzögerungen der Suchzeit wie Festplatten haben, ist die Verwendung von Speicherplatz an einer beliebigen Stelle auf dem Laufwerk so optimal wie an jedem anderen Ort. Infolgedessen sind die heutigen 3D-TLC-Laufwerke mit hoher Kapazität überraschend schnell.

Außerdem benötigt ein einstelliger Prozentsatz der Unternehmen IOPS, die am stärksten beworben werden. Führen Sie Live Optics aus und überzeugen Sie sich selbst. Höhere Kapazität und kostengünstigere Laufwerke bieten den Vorteil, dass eine größere Menge an Produktionsdaten auf Flash migriert werden kann.  Dies bietet eine konsistente Servicequalität für I/O über mehr Datenkapazität.

DWPD oder Drive Writes per Day.

Die Tatsache, dass die meisten Unternehmen geringere I/O-Anforderungen haben als man denken könnte, kann in Kombination mit Laufwerken mit höherer Kapazität die eigene Meinung über die Einführung von 3D-TLC-Laufwerken als Tier-1-Kapazitätslaufwerke drastisch beeinflussen.

DWPD gibt lediglich an, wie oft die Kapazität des Laufwerks an einem Tag vollständig überschrieben werden kann und sich dabei innerhalb der Empfehlungen des Herstellers bewegt.
 

Alle Flash-Technologien haben denselben Fehler, nämlich dass der Prozess des Schreibens in Flash die Speicherzellen allmählich abbaut. Storage-AdministratorInnen müssen die Schreib-Workloads ihrer Anwendungen berücksichtigen, bevor sie SSD-Festplatten und Caching-Produkte bereitstellen, um sicherzustellen, dass die Produktlebensdauer ihren Anforderungen entspricht. Der Standard für die Messung der Lebensdauer einer SSD-Festplatte sind die Drive Writes per Day (DWPD). DWPD wird in Bezug auf die Gesamtkapazität der Festplatte gemessen. Eine 100-GB-SSD führt beispielsweise einen DWPD aus, wenn sie 100 GB an einem Tag schreibt. Standardmäßig sollten Festplatte die geschätzte DWPD mindestens 5 Jahre lang aushalten.

Live Optics kann dabei helfen, indem auf jeder Ebene (Festplatte, Server, Clusterfestplatte, Collector-Ausführung und Projekt) der geschätzte durchschnittliche DWPD-Wert angezeigt wird.

Durchschnittlicher DWPD-Wert
Um den durchschnittlichen täglichen DWPD-Wert für einen bestimmten Satz von I/O-Datensätzen zu berechnen, addieren Sie den Schreibdurchsatz (MB/s) aller Datensätze sowie die Dauer jedes Datensatzes. Dies erfolgt automatisch in Live Optics und führt dazu, dass jeden Tag ein Kapazitätswert geschrieben wird. Die grundlegende Gleichung zum Verständnis der durchschnittlichen täglichen Schreibvorgänge lautet:

Daher kann für jeden SSD-Laufwerkstyp dieser Kapazitätswert mit der folgenden Gleichung verwendet werden, um die Mindestanzahl der Laufwerke zu berechnen, die für die täglichen Schreibaktivitäten, einschließlich aller Back-end-I/O-Vorgänge, erforderlich sind:

Hinweis: Der Wert „RaidPenalty“ in dieser Gleichung wird später in diesem Dokument näher erläutert.

Um diese Gleichung verwenden zu können, müssen Sie zunächst den DWPD-Nennwert des Laufwerks kennen. Bei dieser Herstellerbewertung handelt es sich um allgemein verfügbare Daten, die mit den Spezifikationen dieses Laufwerks verknüpft sind. Für die Zwecke dieser Präsentation finden Sie hier einige akzeptable DWPD-Werte für verschiedene Laufwerkstypen.

RAID: Eine kurze Einführung in die Auswirkungen von RAID DWPD
RAID 10 ist die am einfachsten zu verstehende Form von RAID. Bei jedem Schreibvorgang wird eine zusätzliche Kopie auf die andere Festplatte im Spiegel geschrieben. Daher beträgt der Wert „RAID-Penalty“ hier 2. RAID 5 und 6 sind komplizierter und auf den ersten Blick mögen die in DWPD-Berechnungen verwendeten RAID-Penalty-Werte dem allgemein verbreiteten Wissen über „Kapazitätseffizienzkennzahlen“ widersprechen, aber dies kann mit einem einfachen Diagramm verstanden werden, da es sich um verwandte, aber gegenseitig ausschließende Kapazitätsfaktoren handelt.

RAID 5: Der RAID-Penalty-Wert beträgt 2.
Das Verhältnis der nutzbaren Kapazitätseffizienz für ein RAID 5 (4+1) beträgt 80 %. 4 Kapazitätsfestplatten und 1 Paritätslaufwerk bieten ein Verhältnis von 4/5.

DWPD wird basierend auf der Kapazität der geschriebenen Daten berechnet, aber vor allem basierend darauf, wie sie auf die Festplatte geschrieben werden. Zur Veranschaulichung sind hier einige gängige RAID-Begriffe aufgeführt. Jedes RAID-Set besteht aus einer RAID-Stripe-Breite und einer RAID-Stripe-Tiefe.

RAID-Stripe-Breite: Die Anzahl der Laufwerke, über die sich der RAID-Stripe erstreckt. (4 Festplatten + 1 Paritätslaufwerk.)

RAID-Stripe-Tiefe: Dieser Begriff kann viele Namen haben, ist aber die Datenmenge, die auf jede Festplatte geschrieben wird, bevor der Schreibvorgang auf die nächste Festplatte übergeht. Dies ist ein wichtiger Faktor zum Verständnis der Logik der Schätzung von DWPD.

Das folgende Diagramm zeigt das Best- und Worst-Case-Szenario für Schreibvorgänge in diesem RAID-Stripe mit einer Stripe-Tiefe von 64 KB.

Best-Case-Szenario:
Systeme versuchen möglicherweise, Schreibverkettungen oder Zusammenführungen durchzuführen, um die Auswirkungen auf die Festplatte zu optimieren. (Es werden perfekte 256 KB geschrieben.) Jede Festplatte erhält eine gleichmäßige Zuweisung von 64 KB. Die Parität beträgt ebenfalls 64 KB, entspricht aber nur 20 % Overhead der geschriebenen 256 KB. 

Worst-Case-Szenario:
Die meisten Schreibvorgänge sind jedoch klein und oft kleiner als die Stripe-Tiefe. (Nehmen wir an, es wurden nur 64 KB an Daten geschrieben.) Dies wirkt sich nur auf zwei Festplatten im RAID-Stripe aus: die Festplatte, auf die die 64 KB geschrieben wurden, und die neu beschriebene Paritätsfestplatte, die ebenfalls 64 KB groß ist, was zu einem Schreiboverhead von 100 % führt, obwohl die nutzbare Kapazität weiterhin zu 80 % effizient bleibt.

RAID 6: Der RAID-Penalty-Wert beträgt 3.
Für RAID mit doppelter Parität wird ein zusätzlicher Abschlag berechnet. Im gleichen Worst-Case-Szenario würden die 64 KB geschrieben werden und nur eine Festplatte betreffen. Jetzt müssten jedoch zwei Paritätslaufwerke neu berechnet und neu geschrieben werden. Daher verwendet das Worst-Case-Szenario für RAID 6 einen 3-fachen Abschlag (64 KB Daten + 128 KB Parität).

Zusammenfassung
Da DWPD ein Faktor für die geschriebene Datenkapazität ist, versucht eine SSD, Schreibvorgänge zu optimieren, indem sie einen neuen, vorbereiteten Teil des Laufwerks findet, anstatt denselben Datenspeicherplatz zu überschreiben. Es handelt sich um eine äußerst sichere Schätzung der Abnutzung an einem bestimmten Laufwerk mit einer bekannten durchschnittlichen täglichen Schreibkapazität.

Die Berechnungen auf der folgenden Seite basieren auf einer Schätzung des 100%igen Worst-Case-Szenarios, sodass jede Optimierung der Schreibvorgänge durch das System diese Schätzungen nur genauer macht.

DWPD: Anwenden des durchschnittlichen DWPD-Wertes zur Schätzung der Lebensdauer.
Es gibt zwei Möglichkeiten, sich dem DWPD-Wert zu nähern, je nachdem, was erreicht werden soll: die Berechnung der Mindestanzahl aktiver Festplatten oder die Berechnung der geschätzten Lebensdauer einer bestimmten Anzahl von SSDs mit einer bekannten Workload.

Mindestanzahl aktiver Laufwerke
Mit dieser Methode können Sie abschätzen, ob ein Laufwerk oder eine bestimmte Anzahl von Laufwerken innerhalb der empfohlenen DWPD-Bewertung basierend auf einem beobachteten Workload-Bedarf in einem Live Optics-Projekt bleiben muss.

Durchschnittliche tägliche Schreibvorgänge: 3,5 TB
Ziel-RAID-Set: RAID 10
Geprüfte SSD: TLC 3,8 TB SSD

 Durchschnittliche tägliche Schreibvorgänge: 3,5 TB
Ziel-RAID-Set: RAID 5-5 (4+1)
Geprüfte SSD: TLC 3,8 TB SSD

Durchschnittliche tägliche Schreibvorgänge: 3,5 TB
Ziel-RAID-Set: RAID 6-6 (4+2)
Geprüfte SSD: TLC 3,8 TB SSD

Kleinere Laufwerke und höhere DWPD
Was hier gezeigt wird, ist, dass selbst bei der extremen Anzahl von Schreibvorgängen von 3,5 TB pro Tag und einschließlich des RAID-Penalty-Wertes die hohe Kapazität der Laufwerke dazu führt, dass die erforderliche Mindestanzahl von Festplatten für alle Konfigurationen 3 oder weniger beträgt.

Um die Beziehung zwischen Festplattenkapazität und DWPD-Bewertung zu veranschaulichen, verwenden wir im nächsten Beispiel ein kleineres Laufwerk mit nur 400 GB Kapazität, aber mit einer höheren DWPD-Bewertung von 10.

Durchschnittliche tägliche Schreibvorgänge: 3,5 TB
Ziel-RAID-Set: RAID 6-6 (4+2)
Geprüfte SSD: SLC 400 GB SSD

 
Das Endergebnis ist, dass die Mindestanzahl von Laufwerken für die Schreib-Workload immer noch 3 beträgt. Die TLC-Konfiguration hätte jedoch etwa 10 TB Rohkapazität, während die SLC 1200 GB hätte.

Realisierter DWPD-Faktor.
Eine Verwendung ober- oder unterhalb der empfohlenen Mindestanzahl von Laufwerken beschleunigt oder verlangsamt die geschätzte Abnutzung. Die Berechnung ist einfach, es muss lediglich die empfohlene Anzahl von Laufwerken durch die verwendete Anzahl dividiert werden.

Diese Konfiguration ist überdimensioniert. Die Verschleißfestigkeit dieser Laufwerke sollte die Erwartungen übertreffen. Diese Konfiguration entspricht nicht der Empfehlung. Daher kommt es zu einem beschleunigten Verschleiß der Laufwerke.

DWPD: Anwenden des durchschnittlichen DWPD-Werts zur Schätzung der Lebensdauer von Laufwerken. Um die geschätzte Lebensdauer einer bekannten Anzahl von Laufwerken anhand einer bekannten durchschnittlichen täglichen Schreibkapazität zu berechnen, kehren Sie die Berechnungen um und verwenden Sie den realisierten DWPD-Faktor.

Geschätzte Lebensdauer
Die meisten RAID-Sets, insbesondere in einem Storage-Array, enthalten in der Regel 4 bis 12 Laufwerke für eine Mindestkonfiguration. Das Ergebnis ist, dass die Berechnung der Lebenserwartung von SSDs oft eine ungefähre Schätzung der Anzahl von Jahren darstellen kann, die die Laufwerke in Betrieb sein können. In einem System, das nicht ordnungsgemäß oder unzureichend bereitgestellt wurde, können diese Schätzungen jedoch zum Verständnis beitragen.
Die Systemaktualisierung wird inkrementell ausgeführt, um unerwartete Ausfallzeiten zu vermeiden.

Anhand der beiden realisierten DWPD-Faktoren von der vorherigen Seite wird die Auswirkung jedes Szenarios mit dieser Formel veranschaulicht.

Beispieldaten:

Vom Hersteller geschätzte Jahre: 5
Realisierter DWPD-Wert: 0,27
 

Vom Hersteller geschätzte Jahre: 5
Realisierter DWPD-Wert: 1,67
 

Abschließende Überlegungen

Im Moment hat IOPS als Dimensionierungsmaß, das durch die allgemeine Verfügbarkeit weitgehend üblich geworden ist, immer niedrigere Preise und steigende Kapazitäten zur Folge gehabt. Der größte Vorteil der Migration zu SSDs besteht darin, dass Sie mehr Daten auf ein konsistent höheres Servicelevel für alle Festplattenaktivitäten übertragen.

Es gibt jedoch immer noch gewisse Vorbehalte in Bezug auf Geschwindigkeit und Haltbarkeit, wenn es um die spezifischen Workloads eines Unternehmens und die innovativen Technologien geht, die SSD-Hersteller verwenden, um die Grenzen der Kapazität zu erweitern.

Live Optics kann die genaue Situation einer Umgebung messen und mit diesen Informationen ein sicheres Maß an Lebenserwartung für Laufwerke ermitteln, unabhängig davon, wie einzigartig eine Workload ist oder welche Laufwerke implementiert werden sollen.

Beachten Sie, dass in diesem Dokument ein durchschnittlicher DWPD-Wert von 3,5 TB pro Tag verwendet wird, was zugegebenermaßen weit über der Nachfrage eines durchschnittlichen Unternehmens in nahezu jeder Branche liegen würde. Wenn Ihre durchschnittlichen täglichen Schreibvorgänge also unter 3,5 TB pro Tag liegen, würden Ihre Laufwerke wesentlich langsamer verschleißen als die Schätzungen in diesem Dokument angeben.

Um dies mit Sicherheit zu wissen, eröffnen Sie noch heute bei https://LiveOptics.com ein kostenloses Konto.

Live Optics ist eine anbieter- und plattformunabhängige Standardmethode, mit der Sie die von Dell Technologies, Inc. der Allgemeinheit zur Verfügung gestellten Leistungsdaten in Ihrer Umgebung abrufen können.

Wenden Sie sich bei Fragen an den Live Optics Support über liveoptics.support@dell.com.