Live Optics | 평균 일일 쓰기

SSD를 환경에 구현하는 데 가장 큰 세 가지 저항 요소는 비용, 속도 및 내구성입니다. 다행히도 업계는 이 세 가지 범주 모두를 다루는 데 편안하게 느낍니다.

이 브리핑에서는 가격과 성능도 다루지만, 내구성에 중점을 둡니다. 특히 SSD 드라이브의 마모 또는 내구성 기대치를 나타내는 기준으로 자리잡은 DWPD(Drives Writes Per Day)가 주요 항목입니다.

가격 및 용량
NAND는 USB 또는 SSD "플래시"에 사용되는 기본 기술이며 지속적으로 가격이 낮아지고 있는 추세입니다. 이러한 비용 절감의 동인은 NAND 제조 방식의 변화입니다. 두 가지 일반적인 관행은 (1) 셀 당 비트 수를 증가시켜 MLC 및 TLC 기술을 구현하고, (2) 이러한 세포를 수직으로 쌓는 방식인 3D 또는 V-NAND 기술입니다. TLC 및 3D 기술을 결합하여 오늘날의 대용량 및 비용 효율적인 SSD 드라이브를 만드는 경우가 많습니다.

성능
이러한 제조 기술의 발전으로 SSD 용량 및 가격은 개선되었지만, 엔터프라이즈 환경에서의 도입으로 인해 성능과 내구성에는 새로운 과제가 생겼습니다. TLC NAND의 프로그래밍 주기가 길기 때문에 높은 비트 셀 NAND(TLC) SSD의 쓰기 성능에 대한 주된 논쟁이 있습니다. 그러나 SSD 쓰기 성능은 SSD SoC(System on Chip)에 의해 좌우되며, 펌웨어가 이러한 우려를 완화하는 역할을 합니다.

용량이 증가하면 이 문제를 극복하는 데 도움이 됩니다. 드라이브가 100% 가득 찬 경우는 거의 없으며 펌웨어는 이를 활용하여 가비지 컬렉션이라는 프로세스를 수행할 수 있습니다. 이 프로세스는 미리 쓰기 공간을 준비하여 실제 쓰기 작업 시 발생할 수 있는 준비 패널티를 완화합니다. SSD는 하드 드라이브처럼 검색 시간에 따른 페널티를 공유하지 않으므로, 드라이브의 어느 위치에 데이터를 저장하더라도 동일한 수준의 성능을 제공합니다. 결과적으로 오늘날의 대용량 3D TLC 드라이브는 놀랍도록 빠릅니다.

또한, 대부분의 마케팅에서 광고하는 IOPS 수준이 실제로 필요한 기업은 한 자릿수 비율에 불과합니다. Live Optics를 실행하여 확인하십시오. 더 큰 용량과 더 비용 효율적인 드라이브는 플래시에 더 많은 양의 운영 데이터를 마이그레이션할 수 있는 이점을 제공합니다.  이러한 방식으로 더 큰 데이터 용량에서 I/O에 대한 일관된 서비스 품질을 제공할 수 있습니다.

일일 DWPD 또는 하루당 드라이브 쓰기 횟수.

대부분의 기업이 예상보다 낮은 I/O 요구 사항을 가지고 있고, 여기에 고용량 드라이브가 결합되면서, 3D TLC 드라이브를 티어 1 용량 드라이브로 채택하는 것에 대한 인식이 크게 달라질 수 있습니다.

DWPD는 용량을 완전히 덮어쓸 수 있는 횟수를 의미합니다. 하루에 1개의 SSD를 사용하고 제조업체의 권장 사항을 따르십시오.
 

모든 플래시 기술에는 공통된 결함이 하나 있는데, 플래시에 데이터를 쓰는 과정이 메모리 셀을 점차 손상시킨다는 점입니다. 스토리지 관리자는 SSD 디스크 및 캐싱 제품을 배포하기 전에 애플리케이션의 쓰기 워크로드를 고려하여 제품 수명이 요구 사항에 맞는지 확인해야 합니다. SSD 디스크의 내구성을 측정하기 위한 표준은 DWPD(Drive Writes Per Day)입니다. DWPD는 디스크의 총 용량으로 측정됩니다. 예를 들어 100GB SSD는 하루에 100GB를 쓰면 DWPD 1개를 수행합니다. 이 표준은 디스크가 최소 5년 동안 추정 DWPD를 견딜 수 있음을 시사합니다.

Live Optics는 각 계층(디스크, 서버, 클러스터 디스크, Collector 실행 및 프로젝트)별로 예상 일일 쓰기를 표시하여 지원할 수 있습니다.

Average Daily Write
지정된 I/O 레코드 세트에 대한 평균 일일 쓰기를 계산하려면 모든 레코드의 쓰기 처리량(MB/초)과 각 레코드의 기간을 합산합니다. 이 작업은 Live Optics에서 자동으로 수행되며 매일 용량 값이 기록됩니다. 평균 일일 쓰기를 이해하기 위한 기본 방정식은 다음과 같습니다.

따라서 모든 SSD 드라이브 유형에 대해 이 용량 값을 다음 방정식과 함께 사용하여 백엔드 I/O 작업을 포함하여 일일 쓰기 작업을 수용해야 하는 최소 드라이브 수를 계산할 수 있습니다.

참고: 이 방정식의 "RaidPenalty"는 이 문서의 뒷부분에서 더 자세히 설명해야 합니다.

이 방정식을 사용하려면 먼저 드라이브 DWPD 등급을 알아야 합니다. 이 제조업체 등급은 해당 드라이브의 사양과 관련된 일반적으로 사용 가능한 데이터입니다. 이 데모의 목적에 따라 다양한 드라이브 유형에 대한 DWPD 등급 중 허용되는 등급을 다음과 같이 정리해 두었습니다.

RAID: RAID가 DWPD에 미치는 영향에 대한 간단한 설명
RAID 10은 가장 이해하기 쉬운 형태의 RAID입니다. 각 쓰기 작업마다 추가 복제본이 미러의 다른 디스크에 기록됩니다. 따라서 사용된 RAID 페널티는 2입니다. RAID 5와 RAID 6은 좀 더 복잡하며, DWPD 계산에서 사용되는 RAID 페널티는 일반적으로 알려진 "용량 효율성 비율"과는 다르게 보일 수 있습니다. 하지만 이 두 개념은 관련은 있지만 서로 배타적인 용량 요소이므로, 간단한 다이어그램으로 이해할 수 있습니다.

RAID 5: RAID 페널티는 2입니다.
RAID 5(4+1)의 가용 용량 효율성 비율은 80%입니다. 4개의 용량 디스크와 1개의 패리티 디스크는 4/5 비율을 제공합니다.

DWPD는 기록된 데이터의 용량을 기준으로 계산되지만, 더 중요한 것은 데이터가 디스크에 기록되는 방식입니다. 예를 들어, 다음은 몇 가지 일반적인 RAID 용어입니다. 각 RAID 세트는 RAID 스트라이프 너비 및 RAID 스트라이프 깊이로 구성됩니다.

RAID 스트라이프 너비:RAID 스트라이프가 확장될 드라이브의 수를 의미합니다. (디스크 4개 + 패리티 디스크 1개)

RAID 스트라이프 깊이: 이 용어는 여러 이름을 가질 수 있지만, 다음 디스크로 쓰기를 넘기기 전에 각 디스크에 기록되는 데이터의 양을 의미합니다. 이는 DWPD 추정 논리를 이해하는 데 중요한 요소입니다.

아래 다이어그램은 64KB 스트라이프 깊이를 기준으로, 이 RAID 스트라이프에 데이터를 쓸 때의 최선의 시나리오와 최악의 시나리오를 보여줍니다.

최선의 시나리오:
시스템이 디스크에 미치는 영향을 최적화하기 위해 쓰기 연결 또는 병합을 시도할 수 있습니다. (완벽한 256KB가 기록됩니다.) 각 디스크는 64KB의 균등한 할당을 받습니다. 패리티도 64KB이지만, 이는 기록된 256KB 기준으로 보면 20%의 오버헤드에 불과합니다. 

최악의 시나리오:
그러나 대부분의 쓰기 작업은 작으며, 종종 스트라이프 깊이보다도 작습니다. (64K의 데이터만 기록되었다고 가정해 보겠습니다.) 이는 RAID 스트라이프 내에서 64KB가 기록된 디스크와, 해당 데이터를 반영하기 위해 패리티가 다시 기록되는 디스크 두 개에만 영향을 미치게 되며, 결과적으로 100%의 쓰기 오버헤드가 발생합니다. 하지만 가용 용량 측면에서는 여전히 80%의 효율이 유지됩니다.

RAID 6: RAID 페널티는 3입니다.
이중 패리티 RAID의 경우 추가 페널티가 필요합니다. 동일한 최악의 시나리오에서는, 64KB가 하나의 디스크에만 기록되지만, 이제는 2개의 패리티 디스크가 다시 계산되어 재기록되어야 합니다. 따라서 RAID 6의 최악의 시나리오에서는 3배(64K 데이터 + 128K 패리티)의 페널티가 발생합니다.

요약
DWPD는 기록된 데이터 용량을 기준으로 하기 때문에, SSD는 동일한 데이터 공간을 덮어쓰는 대신, 드라이브의 미리 준비된 새로운 영역에 데이터를 기록함으로써 쓰기를 최적화하려고 합니다. 이는 알려진 평균 일일 쓰기 용량을 기준으로, 특정 드라이브의 마모 수준을 매우 안전하게 추정할 수 있는 방식입니다.

다음 페이지의 계산은 100% 최악의 시나리오 추정치를 반영하므로 시스템에서 제공하는 쓰기에 대한 최적화는 이러한 추정치를 더 안전하게 만듭니다.

DWPD: 평균 일일 쓰기를 사용하여 내구성을 추정합니다.
달성하려는 목표에 따라 DWPD 값에 접근하는 두 가지 방법이 있습니다. 필요한 최소 활성 디스크 수를 계산하거나 알려진 워크로드를 사용하여 특정 수의 SSD에 대한 예상 수명을 계산하는 것입니다.

Minimum Number of Active Drives
이 방법을 사용하면 Live Optics 프로젝트에서 관찰된 워크로드 수요에 따라 권장 DWPD 등급 내에 하나의 드라이브 또는 설정된 수의 드라이브가 있어야 하는지 추정할 수 있습니다.

평균 일일 쓰기: 3.5TB
대상 RAID 세트: RAID 10
평가 중인 SSD: TLC 3.8TB SSD

 평균 일일 쓰기: 3.5TB
대상 RAID 세트: RAID 5-5(4+1)
평가 중인 SSD: TLC 3.8TB SSD

평균 일일 쓰기: 3.5TB
대상 RAID 세트: RAID 6-6(4+2)
평가 중인 SSD: TLC 3.8TB SSD

더 작은 드라이브와 더 높은 DWPD
여기에서 보여주는 것은, 하루 3.5TB에 달하는 극단적인 쓰기 양과 RAID 페널티까지 포함된 경우에도, 드라이브의 높은 용량 덕분에 필요한 최소 디스크 수가 모든 구성에서 3개 이하로 유지된다는 점입니다.

디스크 용량과 DWPD 등급 간의 관계를 설명하기 위해 다음 예에서는 용량이 400GB에 불과하지만 DWPD 등급이 10인 더 작은 드라이브를 사용합니다.

평균 일일 쓰기: 3.5TB
대상 RAID 세트: RAID 6-6(4+2)
평가 중인 SSD: SLC 400GB SSD

 
결과적으로 쓰기 워크로드를 수용할 수 있는 최소 드라이브 수는 여전히 3개입니다. 그러나 TLC 구성의 물리적 용량은 약 10TB이고 SLC의 물리적 용량은 1,200GB입니다.

실질 DWPD 계수.
권장되는 최소 드라이브 수를 초과하거나 미만으로 사용하여 마모 추정치를 가속하거나 감속합니다. 이를 계산하는 것은 권장되는 드라이브 수를 사용된 수로 나누는 것만큼 간단합니다.

이 구성은 오버 프로비저닝되어 있으며, 이러한 드라이브의 마모 내구성은 기대치를 초과해야 합니다. 이 구성은 권장 사항을 충족하지 않습니다. 따라서 드라이브의 마모가 가속화됩니다.

DWPD: 평균 일일 쓰기를 적용하여 드라이브 수명을 예측합니다. 지정된 드라이브 수와 알려진 평균 일일 쓰기 용량을 기준으로 예상 수명을 계산하려면, 계산을 역순으로 수행하고 실현된 DWPD 계수를 사용합니다.

예상 수명
대부분의 RAID 세트, 특히 스토리지 어레이의 경우 일반적으로 최소 구성에 대해 4~12개의 드라이브가 포함됩니다. 결과적으로 SSD의 예상 수명을 계산해 보면 드라이브가 사용 가능한 기간이 지나치게 길게 추정되는 경우가 많아, 예상 수명이 비현실적으로 길게 산정되기도 합니다. 그러나 부적절하거나 언더 프로비저닝된 시스템에서는 이러한 추정치가 이해에 도움이 될 수 있습니다.
예기치 않은 다운타임을 방지하기 위해 시스템 새로 고침 횟수가 증가합니다.

이전 페이지에서 실현된 두 가지 DWPD 계수를 사용하여 각 시나리오의 영향을 이 공식으로 확인할 수 있습니다.

예시 데이터:

제조업체 예상 연도: 5
실질 DWPD: 0.27
 

제조업체 예상 연도: 5
실질 DWPD: 1.67
 

마무리 정리

현재 IOPS는 SSD의 일반적인 보급으로 인해 사이징 지표로서 사실상 범용화되었으며, SSD는 지속적으로 가격이 하락하고 용량은 증가하고 있습니다. SSD로의 전환에서 가장 큰 이점은, 모든 디스크 작업에 대해 데이터를 더 일관된 고성능 서비스 수준으로 처리할 수 있다는 점입니다.

하지만 기업 고유의 워크로드에 대한 속도와 내구성, 그리고 SSD 제조업체들이 용량 한계를 넘어서기 위해 사용하는 혁신 기술에 대한 불확실성 때문에 여전히 일부 망설임이 존재합니다.

Live Optics는 환경의 특수성을 측정할 수 있으며, 이 정보를 바탕으로 워크로드의 형태나 적용할 드라이브 종류와 관계없이 SSD 수명에 대한 신뢰 수준을 확보하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

참고로, 이 문서에서는 하루 평균 3.5TB의 쓰기 양을 기준으로 하고 있으며, 이는 어떤 업종이든 일반적인 기업의 수요를 훨씬 초과하는 수준입니다. 따라서 평균 일일 쓰기 양이 3.5TB 미만이면, 마모 기대치가 이 문서의 추정치보다 높을 것입니다.

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