Live Optics | Média de gravações diárias

As três maiores objeções à implementação de SSDs em um ambiente são o custo, a velocidade e a durabilidade. Felizmente, o setor tem oferecido soluções que trazem mais comodidade em todas essas três categorias.

Este documento aborda o preço e o desempenho, mas se concentra na durabilidade: especificamente, no tópico de Gravações por dia na unidade (DWPD), que se tornou um padrão para indicar as expectativas de desgaste ou durabilidade das unidades SSD.

Preço e capacidade
NAND é a tecnologia subjacente que você encontrará nas unidades "Flash" SSD ou USB, e ela vem sendo disponibilizada a um preço continuamente reduzido. Os motivadores para essa redução de custos são as mudanças no modo de fabricação da NAND. Duas práticas comuns são (1) aumentar o número de bits por célula, o que resulta na tecnologia MLC e TLC e (2) o que se considera como 3D ou V-NAND, que é a técnica de empilhamento vertical dessas células. Muitas vezes, as técnicas de TLC e 3D são combinadas para criar as atuais unidades SSD de alta capacidade e com ótimo custo-benefício.

Desempenho
Embora a capacidade e o preço das SSDs tenham se beneficiado desses avanços na fabricação, a adoção empresarial desafiou o desempenho e a durabilidade delas. Há uma grande discussão sobre o desempenho das gravações em SSDs de NAND com vários bits por célula (TLC) devido aos ciclos de programação mais longos da NAND TLC. No entanto, o desempenho das gravações de SSD é dominado pelo sistema no chip (SoC) da SSD, e é o firmware que reduz essa preocupação.

O aumento da capacidade também ajudou a superar esse problema. As unidades raramente ficam 100% cheias, e o firmware pode aproveitar esse fato para realizar um processo chamado de Coleta de lixo, que se prepara proativamente para gravar espaço e, assim, reduzir a penalidade de preparação quando ocorrer uma gravação. Como as SSDs não compartilham as penalidades de tempo de busca dos discos rígidos, é ideal usar espaço em qualquer lugar da unidade. Como resultado, as atuais unidades TLC 3D de alta capacidade são surpreendentemente rápidas.

Além disso, uma pequena porcentagem de empresas precisa das IOPS que a maioria das declarações de marketing anuncia. Execute o Live Optics e veja. As unidades com mais capacidade e maior custo-benefício apresentam o benefício de migrar um maior volume de dados de produção no Flash.  Isso proporciona uma qualidade de serviço consistente para a E/S, mesmo com a maior capacidade de dados.

DWPD ou Gravações por dia na unidade.

A combinação entre o fato de que a maioria das empresas precisa de menos E/S do que se acreditava e as unidades de maior capacidade pode mudar drasticamente a opinião das pessoas sobre a adoção de unidades TLC 3D como unidades de capacidade de nível 1.

DWPD é simplesmente o número de vezes que você pode sobregravar completamente a capacidade de uma SSD por dia e, mesmo assim, cumprir as recomendações dos fabricantes.
 

As tecnologias All-Flash herdam uma falha, que é o fato de o processo de gravação Flash degradar as células de memória gradativamente. Antes de implementar discos SSD e produtos de armazenamento em cache, os administradores de armazenamento devem considerar as cargas de trabalho de gravação de suas aplicações para garantir que a vida útil do produto corresponda aos requisitos. O padrão para medir a resistência de um disco SSD é o número de Gravações por dia na unidade (DWPDs). As DWPDs são medidas em termos da capacidade total do disco. Por exemplo, uma SSD de 100 GB fará uma DWPD se gravar 100 GB em um dia. O padrão sugere que o disco resistirá às DWPDs estimadas por, pelo menos, cinco anos.

O Live Optics pode ajudar mostrando, em cada camada (disco, servidor, disco de cluster, execução do coletor e projeto), a estimativa média de gravações diárias.

Média de gravações diárias
Para calcular a média de gravações diárias de determinado conjunto de registros de E/S, some o throughput de gravação (MB/s) de todos os registros, bem como a duração de cada registro. O Live Optics faz isso automaticamente, o que resulta em um valor de capacidade gravado a cada dia. A equação básica para entender a Média de gravações diárias seria:

Portanto, qualquer tipo de unidade SSD pode usar esse valor de capacidade com a seguinte equação para calcular o número mínimo de unidades para acomodar a atividade de gravações diárias, inclusive quaisquer operações de E/S de back-end:

Nota: Nessa equação, é preciso explicar o conceito de "RaidPenalty" em mais detalhes, o que faremos posteriormente neste documento.

Para usar essa equação, primeiramente, conheça a classificação de DWPD das unidades. Geralmente, essa classificação do fabricante é um dado disponível associado às especificações dessa unidade. Para os fins desta demonstração, informaremos algumas classificações aceitáveis de DWPD para vários tipos de unidade.

RAID: Uma rápida visão geral sobre como o RAID afeta as DWPDs
O RAID 10 é o formato de RAID mais simples de entender. A cada gravação, há a gravação de uma cópia adicional no outro disco do espelhamento. Portanto, a penalidade de RAID usada é 2. Os RAIDs 5 e 6 são mais complicados e, à primeira vista, as penalidades de RAID usadas nos cálculos de DWPD podem parecer contrárias ao entendimento comum dos "índices de eficiência de capacidade". Mas é possível compreender isso com um simples diagrama, pois os conceitos são relacionados, mas são fatores de capacidade mutuamente exclusivos.

RAID 5: A penalidade de RAID é 2.
O índice de eficiência de capacidade útil de um RAID 5 (4+1) é de 80%. 4 discos de capacidade e 1 disco de paridade oferecem um índice de 4/5.

As DWPDs são calculadas com base na capacidade dos dados gravados, mas, o que é ainda mais importante, em como eles são gravados no disco. Para ilustrar, estes são alguns termos comuns de RAID. Cada conjunto de RAID consiste em uma Largura da faixa de RAID e em uma Profundidade da faixa de RAID.

Largura da faixa de RAID: o número de unidades que a faixa de RAID abrangerá. (4 discos + 1 disco de paridade.)

Profundidade da faixa de RAID: Esse termo pode ter muitos nomes, mas se refere à quantidade de dados que será gravada em cada disco antes que a gravação avance para o próximo disco. É um fator essencial para entender a lógica para a estimativa das DWPDs.

O diagrama abaixo mostra o melhor e o pior cenário de gravação nessa faixa de RAID com uma profundidade de faixa de 64 KB.

Melhor cenário:
Os sistemas podem tentar fazer concatenação ou agregação das gravações para tentar otimizar o impacto no disco. (Ocorre a gravação perfeita de 256 KB.) Cada disco receberia uma alocação igual de 64 KB. A paridade também seria de 64 KB, mas corresponde a uma sobrecarga de apenas 20% dos 256 KB gravados. 

Pior cenário:
No entanto, a maioria das gravações é pequena e, muitas vezes, menor do que a profundidade da faixa. (Vamos presumir que tenha ocorrido a gravação de apenas 64 KB de dados.) Isso afetaria apenas dois discos da faixa de RAID: o disco em que os 64 KB foram gravados e o disco de paridade regravado, que também tem 64 KB, o que resulta em uma sobrecarga de gravação de 100%, embora a capacidade útil permaneça 80% eficiente.

RAID 6: A penalidade de RAID é 3.
É preciso impor uma penalidade extra para o RAID de paridade dupla. No mesmo pior cenário, os 64 KB seriam gravados e afetariam apenas um disco; no entanto, agora, seria necessário recalcular e regravar dois discos de paridade. Portanto, o pior cenário para o RAID 6 será uma penalidade de 3x (64 KB de dados + 128 KB de paridade).

Resumo
Como DWPD é um fator da capacidade de dados gravados, uma SSD tentará otimizar as gravações encontrando uma nova parte pré-preparada da unidade, em vez de sobregravar o mesmo espaço de dados. O valor de DWPD é uma estimativa extremamente segura do desgaste de qualquer unidade com qualquer capacidade conhecida de Média de gravações diárias.

Os cálculos abaixo refletem a estimativa de um pior cenário de 100%; portanto, qualquer otimização nas gravações informadas pelo sistema apenas tornará essas estimativas mais seguras.

DWPD: Aplicando a Média de gravações diárias para estimar a resistência.
Há duas maneiras de abordar o valor de DWPD, dependendo do que se está tentando alcançar: calcular o Número mínimo de discos ativos necessários ou calcular a Vida útil estimada de um número específico de SSDs com uma carga de trabalho conhecida.

Número mínimo de unidades ativas
Esse método ajuda a estimar se uma unidade ou um número definido de unidades precisa permanecer dentro da classificação recomendada de DWPD com base em uma demanda observada de carga de trabalho em um projeto do Live Optics.

Média de gravações diárias: 3,5 TB
Conjunto RAID de destino: RAID 10
SSD em avaliação: SSD TLC de 3,8 TB

 Média de gravações diárias: 3,5 TB
Conjunto RAID de destino: RAID 5-5 (4+1)
SSD em avaliação: SSD TLC de 3,8 TB

Média de gravações diárias: 3,5 TB
Conjunto RAID de destino: RAID 6-6 (4+2)
SSD em avaliação: SSD TLC de 3,8 TB

Unidades menores e DWPD maior
Aqui, demonstra-se que, mesmo com o número extremo de gravações a 3,5 TB por dia e com a penalidade de RAID incluída, a alta capacidade das unidades resulta no número mínimo necessário de 3 discos ou menos para todas as configurações.

Para ilustrar a relação entre a capacidade do disco e a classificação de DWPD, o próximo exemplo usará uma unidade menor com apenas 400 GB de capacidade, mas com uma maior classificação de DWPD: 10.

Média de gravações diárias: 3,5 TB
Conjunto RAID de destino: RAID 6-6 (4+2)
SSD em avaliação: SSD SLC de 400 GB

 
Como resultado, ainda é necessário um número mínimo de três unidades para acomodar a carga de trabalho de gravação. No entanto, a configuração TLC teria aproximadamente 10 TB de capacidade bruta, enquanto a SLC teria 1.200 GB.

Fator de DWPDs efetivas.
O uso acima ou abaixo do número mínimo recomendado de unidades acelera ou desacelera a estimativa de desgaste. Calcular isso é tão simples quanto dividir o número recomendado de unidades pelo número usado.

Em uma configuração com excesso de provisionamento, o desgaste dessas unidades deve superar as expectativas. Já em uma configuração que não atende à recomendação, há um desgaste acelerado das unidades.

DWPD: Aplicando a Média de gravações diárias para estimar a vida útil da unidade. Para calcular a Vida útil estimada de um número conhecido de unidades em relação a uma capacidade conhecida de Média de gravações diárias, inverta os cálculos e use o Fator de DWPDs efetivas.

Vida útil estimada
A configuração mínima da maioria dos conjuntos de RAID, especialmente em um storage array, geralmente inclui de 4 a 12 unidades. Como resultado, o cálculo da expectativa de vida útil das SSDs geralmente apresenta uma estimativa meramente indicativa do tempo operacional das unidades, em anos. No entanto, em um sistema com provisionado incorreto ou insuficiente, essas estimativas podem ajudar a entender
os incrementos de atualização do sistema para evitar tempo de inatividade inesperado.

O uso dos dois Fatores de DWPDs efetivas anteriores demonstra o efeito de cada cenário com esta fórmula.

Dados de exemplo:

Anos estimados pelo fabricante: 5
DWPD efetiva: 0.27
 

Anos estimados pelo fabricante: 5
DWPD efetiva: 1.67
 

Considerações finais

Por enquanto, as IOPS como uma medida de dimensionamento são amplamente comoditizadas pela disponibilidade geral das SSDs por preços cada vez menores e capacidades cada vez maiores. O maior benefício da migração para as SSDs é colocar mais dados em um nível de serviço consistentemente mais alto para todas as atividades do disco.

No entanto, ainda há certa hesitação sobre o que não se sabe em relação à velocidade e à durabilidade, quando se trata de cargas de trabalho específicas de uma empresa e das tecnologias inovadoras que os fabricantes de SSD estão usando para aumentar os limites de capacidade.

O Live Optics pode medir a exclusividade de um ambiente e, com essas informações, encontrar um nível de conforto em relação à expectativa de vida útil da unidade, independentemente do quanto a carga de trabalho seja exclusiva ou da unidade escolhida para implementação.

Observe que este documento usa uma Média de gravações diárias de 3,5 TB por dia. Isso, de acordo com todas as evidências, estaria muito além da demanda de uma empresa média de quase todos os segmentos de mercado. Portanto, se sua Média de gravações diárias estiver abaixo de 3,5 TB por dia, as expectativas de desgaste superarão as estimativas deste documento.

Para se certificar disso, acesse https://LiveOptics.com hoje mesmo para abrir uma conta gratuita.

Live Optics é um método padrão, independente de fornecedores e de plataformas, oferecido à comunidade pela Dell Technologies para obter os dados de desempenho de seu ambiente.

Em caso de dúvidas, entre em contato com o suporte do Live Optics em liveoptics.support@dell.com.