Live Optics | Średni dzienny zapis

Trzy największe zastrzeżenia do wdrożenia dysków SSD w środowisku to koszt, szybkość i trwałość. Na szczęście branża zapewnia komfort we wszystkich tych trzech kategoriach.

W tym dokumencie poruszono kwestię ceny i wydajności, ale skupiono się na trwałości, a w szczególności na wskaźniku dziennych zapisów na dysku (DWPD), który stał się standardem określającym stopień zużycia lub oczekiwaną żywotność dysków SSD.

Cena i pojemność
NAND to podstawowa technologia wykorzystywana w pamięciach USB lub dyskach SSD typu „flash”, a jej cena stale spada. Czynnikami przyczyniającymi się do tego spadku kosztów są zmiany w sposobie produkcji pamięci NAND. Dwie powszechne metody to (1) zwiększanie liczby bitów zapisywanych w jednej komórce, co dało początek technologiom MLC i TLC, oraz (2) technologia znana jako 3D lub V-NAND, polegająca na pionowym układaniu warstw komórek pamięci. Techniki TLC i 3D często łączy się przy produkcji współczesnych, pojemnych i atrakcyjnych cenowo dysków SSD.

Wydajność
Chociaż te postępy w produkcji pozytywnie wpłynęły na pojemność i cenę dysków SSD, problemem okazały się ich wydajność i trwałość przy zastosowaniach w środowiskach biznesowych. Trwa ożywiona dyskusja na temat wydajności zapisu na dyskach SSD TLC (wykorzystujących komórki przechowujące wiele bitów) ze względu na dłuższe cykle programowania tego typu pamięci NAND. Jednak wydajność zapisu dysku SSD zależy głównie od jego kontrolera (SoC), a oprogramowanie wewnętrzne łagodzi ten problem.

W tym aspekcie pomaga również zwiększona pojemność. Dyski rzadko są zapełnione w 100%, a oprogramowanie wewnętrzne może wykorzystać ten fakt do przeprowadzenia procesu zwanego Garbage Collection, który proaktywnie przygotowuje miejsce do zapisu. Dzięki temu redukuje się opóźnienie związane z przygotowaniem, gdy do zapisu faktycznie dochodzi. Ponieważ dyski SSD nie mają opóźnień związanych z czasem wyszukiwania charakterystycznych dla dysków twardych, wykorzystanie miejsca w dowolnej lokalizacji dysku jest tak samo optymalne jak w każdej innej. W rezultacie dzisiejsze pojemne dyski 3D TLC są zaskakująco szybkie.

Ponadto zaledwie jednocyfrowy odsetek firm potrzebuje takiej liczby operacji IOPS, jaką reklamuje większość materiałów marketingowych. Uruchom Live Optics i sprawdź. Większa pojemność i lepszy stosunek ceny do możliwości tych dysków pozwalają na migrację większej ilości danych produkcyjnych na pamięć Flash.  Zapewnia to stałą jakość obsługi operacji wejścia/wyjścia dla większej ilości danych.

DWPD, czyli zapisy dysku na dzień (Drive Writes Per Day).

Fakt, że większość firm ma niższe potrzeby w zakresie operacji wejścia/wyjścia, niż się powszechnie uważa, oraz dostępność dysków o większej pojemności mogą radykalnie zmienić opinię na temat stosowania dysków 3D TLC jako podstawowych (warstwy 1) nośników danych.

DWPD to po prostu liczba określająca, ile razy można całkowicie zapisać całą pojemność dysku SSD w ciągu dnia zgodnie z zaleceniami producenta.
 

Wszystkie technologie Flash mają jedną wadę: proces zapisu stopniowo degraduje komórki pamięci. Administratorzy systemów pamięci masowej muszą wziąć pod uwagę obciążenia robocze związane z zapisem generowane przez ich aplikacje przed wdrożeniem dysków SSD i produktów do buforowania, aby okres eksploatacji tych produktów odpowiadał ich wymaganiom. Standardem pomiaru wytrzymałości dysku SSD jest dzienna liczba zapisów dysku (Drive Writes per Day — DWPD). DWPD mierzy się w odniesieniu do całkowitej pojemności dysku. Na przykład dysk SSD o pojemności 100 GB osiąga 1 DWPD, jeśli zapisze 100 GB danych w ciągu jednego dnia. Standard zakłada, że dysk wytrzyma szacowaną liczbę DWPD przez co najmniej 5 lat.

Program Live Optics może pomóc, wyświetlając w każdej warstwie (dysk, serwer, dysk klastra, przebieg kolektora i projekt) szacunkową średni dzienny zapis.

Średni dzienny zapis
Aby obliczyć średni dzienny zapis dla dowolnego zestawu rekordów we/wy, należy zsumować przepustowość zapisu (MB/s) wszystkich rekordów, a także czas trwania każdego rekordu. Odbywa się to automatycznie w programie Live Optics i dzięki temu wartość pojemności jest zapisywana codziennie. Podstawowe równanie pozwalające zrozumieć średni dzienny zapis to:

W związku z tym dla każdego typu dysku SSD można użyć tej wartości pojemności w poniższym równaniu, aby obliczyć minimalną liczbę dysków potrzebną do obsłużenia dziennej aktywności zapisu, w tym wszystkich operacji we/wy w tle:

Uwaga: wartość „RaidPenalty” z tego równania wymaga szczegółowego wyjaśnienia w dalszej części niniejszego dokumentu.

Aby skorzystać z tego równania, należy najpierw poznać wskaźnik DWPD dysku. Ten wskaźnik producenta jest zazwyczaj podany w specyfikacji danego dysku. Na potrzeby tej prezentacji poniżej przedstawiono kilka dopuszczalnych wartości DWPD dla różnych typów dysków.

RAID: Krótkie wprowadzenie na temat wpływu RAID na DWPD
RAID 10 to najprostsza do zrozumienia forma macierzy RAID. Przy każdym zapisie na drugim dysku zapisywana jest dodatkowa, lustrzana kopia. W związku z tym stosowana kara RAID wynosi 2. RAID 5 i 6 są bardziej skomplikowane i na pierwszy rzut oka kary RAID stosowane w obliczeniach DWPD mogą wydawać się sprzeczne z powszechnie przyjętą wiedzą na temat „współczynników efektywności pojemności”, ale można to objaśnić za pomocą prostego diagramu, ponieważ są to powiązane, ale wzajemnie wykluczające się czynniki pojemności.

RAID 5: Kara RAID wynosi 2.
Współczynnik efektywności użytecznej pojemności dla RAID 5 (4+1) wynosi 80%. 4 dyski danych i 1 dysk parzystości dają stosunek 4/5.

DWPD oblicza się na podstawie pojemności zapisanych danych, ale przede wszystkim na podstawie sposobu ich zapisywania na dysku. Dla ilustracji poniżej przedstawiono kilka typowych terminów związanych z macierzą RAID. Każdy zestaw RAID składa się z szerokości paska RAID i głębokości paska RAID.

Szerokość paska RAID: liczba dysków, na których rozpięty jest pasek RAID, (np. 4 dyski danych + 1 dysk parzystości).

Głębokość paska RAID: Termin ten może mieć wiele nazw, ale oznacza ilość danych zapisywanych na każdym dysku danych w pasku, zanim zapis przeniesie się na następny dysk. Jest to kluczowy czynnik w zrozumieniu logiki szacowania DWPD.

Poniższy diagram przedstawia najlepszy i najgorszy scenariusz zapisu na tym pasku RAID przy głębokości paska 64 kB.

Najlepszy scenariusz:
systemy mogą próbować łączyć lub grupować zapisy, aby zoptymalizować obciążenie dysków (zapisywane jest idealnie 256 kB). Każdy dysk danych otrzymałby równą alokację 64 kB. Parzystość również wyniosłaby 64 kB, ale stanowi to tylko 20% narzutu w stosunku do zapisanych 256 kB. 

Najgorszy scenariusz:
jednak większość zapisów jest mała, często mniejsza niż głębokość paska (załóżmy, że zapisano tylko 64 kB danych). Wpłynęłoby to tylko na dwa dyski w pasku RAID: dysk danych, na którym zapisano 64 kB, oraz ponownie zapisany dysk parzystości, który również ma 64 kB. Spowodowałoby to 100% narzutu zapisu, mimo że efektywność pojemności użytkowej pozostałaby na poziomie 80%.

RAID 6: Kara RAID wynosi 3.
W przypadku RAID z podwójną parzystością należy uwzględnić dodatkową karę. W tym samym najgorszym scenariuszu zapisane 64 kB wpłynęłoby tylko na jeden dysk danych; jednak teraz dwa dyski parzystości musiałyby zostać ponownie obliczone i zapisane. Dlatego w najgorszym przypadku dla RAID 6 kara wyniesie 3 (64 kB danych + 128 kB parzystości).

Podsumowanie
Ponieważ wskaźnik DWPD zależy od ilości zapisanych danych, dysk SSD stara się optymalizować zapis, znajdując nową, wstępnie przygotowaną część dysku zamiast nadpisywać ten sam obszar danych. Jest to bardzo bezpieczne oszacowanie stopnia zużycia dowolnego dysku przy znanej wartości średniego dziennego zapisu.

Obliczenia na następnej stronie uwzględniają szacunki dla 100% najgorszego scenariusza, więc wszelkie optymalizacje zapisu wprowadzone przez system zwiększą jedynie bezpieczeństwo tych szacunków.

DWPD: Zastosowanie średniego dziennego zapisu do szacowania trwałości.
Do wartości DWPD można podejść na dwa sposoby, w zależności od tego, co chcemy osiągnąć: można obliczyć minimalną wymaganą liczbę aktywnych dysków lub szacowany okres eksploatacji określonej liczby dysków SSD przy znanym obciążeniu roboczym.

Minimalna liczba aktywnych dysków
Metoda ta pozwala oszacować, czy pojedynczy dysk lub określona liczba dysków zmieści się w zalecanym zakresie DWPD przy zaobserwowanym obciążeniu roboczym w projekcie Live Optics.

Średni dzienny zapis: 3,5 TB
Docelowy zestaw RAID: RAID 10
Oceniany dysk SSD: TLC SSD o pojemności 3,8 TB

 Średni dzienny zapis: 3,5 TB
Docelowy zestaw RAID: RAID 5-5 (4+1)
Oceniany dysk SSD: TLC SSD o pojemności 3,8 TB

Średni dzienny zapis: 3,5 TB
Docelowy zestaw RAID: RAID 6-6 (4+2)
Oceniany dysk SSD: TLC SSD o pojemności 3,8 TB

Mniejsze dyski i wyższy wskaźnik DWPD
Pokazano tutaj, że nawet przy ekstremalnej liczbie zapisów wynoszącej 3,5 TB dziennie i po uwzględnieniu kary RAID duża pojemność dysków sprawia, że wymagana minimalna liczba dysków wynosi 3 lub mniej dla wszystkich konfiguracji.

Aby zilustrować zależność między pojemnością dysku a wskaźnikiem DWPD, w następnym przykładzie użyto mniejszego dysku o pojemności zaledwie 400 GB, ale z wyższym wskaźnikiem DWPD wynoszącym 10.

Średni dzienny zapis: 3,5 TB
Docelowy zestaw RAID: RAID 6-6 (4+2)
Oceniany dysk SSD: SLC SSD o pojemności 400 GB

 
W efekcie minimalna liczba dysków potrzebna do obsługi obciążenia zapisu nadal wynosi 3. Jednak konfiguracja TLC miałaby około 10 TB pojemności fizycznej, podczas gdy SLC miałaby 1200 GB.

Rzeczywisty współczynnik DWPD.
Użycie liczby dysków większej lub mniejszej niż zalecane minimum przyspiesza lub spowalnia szacowane zużycie. Łatwo to policzyć: wystarczy podzielić zalecaną liczbę dysków przez liczbę faktycznie używaną.

Ta konfiguracja jest przewymiarowana; trwałość tych dysków powinna przekroczyć oczekiwania. Ta konfiguracja nie spełnia zaleceń. Dlatego następuje przyspieszone zużycie dysków.

DWPD: Zastosowanie średniego dziennego zapisu do szacowania żywotności dysku. Aby obliczyć szacowany okres eksploatacji znanej liczby dysków przy znanym średnim dziennym zapisie, należy odwrócić obliczenia i użyć rzeczywistego współczynnika DWPD.

Szacowany okres eksploatacji
Większość zestawów RAID, zwłaszcza w macierzach pamięci masowej, zazwyczaj zawiera od 4 do 12 dysków w minimalnej konfiguracji. W rezultacie obliczenia oczekiwanego okresu eksploatacji dysków SSD często dają zaskakująco (lub wręcz absurdalnie) dużą liczbę lat. Jednak w systemie nieprawidłowo skonfigurowanym lub niedowymiarowanym te szacunki mogą pomóc zrozumieć (lub zaplanować)
cykle modernizacji systemu pozwalające uniknąć nieoczekiwanych przestojów.

Użycie naszych dwóch rzeczywistych współczynników DWPD z poprzedniej strony pokazuje efekt każdego scenariusza przy użyciu tego wzoru.

Przykładowe dane:

Lata szacowane przez producenta: 5
Rzeczywisty współczynnik DWPD: 0,27
 

Lata szacowane przez producenta: 5
Rzeczywisty współczynnik DWPD: 1,67
 

Wnioski końcowe

Obecnie wskaźnik IOPS jako miara doboru rozmiaru w dużej mierze stracił na znaczeniu ze względu na powszechną dostępność dysków SSD, ich stale spadające ceny i rosnące pojemności. Największą korzyścią z migracji na dyski SSD jest zapewnienie stałego, wyższego poziomu usług dla większej ilości danych przy uwzględnieniu wszystkich operacji dyskowych.

Nadal jednak istnieją pewne wahania związane z niewiadomymi dotyczącymi szybkości i trwałości, zwłaszcza w kontekście specyficznych obciążeń roboczych firmy oraz innowacyjnych technologii, które producenci SSD stosują, aby przesuwać granice pojemności.

Oprogramowanie Live Optics może zmierzyć specyfikę danego środowiska i na podstawie tych informacji podać rzetelne szacunki oczekiwanego okresu eksploatacji dysku niezależnie od wdrożonego modelu i wyjątkowości jego zastosowania.

Należy zauważyć, że w tym dokumencie przyjęto średni dzienny zapis na poziomie 3,5 TB dziennie, co — jak powszechnie wiadomo — znacznie przekracza zapotrzebowanie przeciętnej korporacji w niemal każdej branży. Jeśli więc średni dzienny zapis w danym środowisku jest niższy niż 3,5 TB, oczekiwana trwałość dysków przekroczy szacunki przedstawione w niniejszym dokumencie.

Aby mieć pewność, załóż już dziś bezpłatne konto na stronie https://LiveOptics.com.

Live Optics to niezależna od dostawcy i platformy, standardowa metoda uzyskiwania danych o wydajności z danego środowiska, udostępniona społeczności przez Dell Technologies, Inc.

W razie jakichkolwiek pytań skontaktuj się z zespołem wsparcia Live Optics pod adresem liveoptics.support@dell.com.