Kingston Guest Blog: Confronto tra SSD Enterprise e Client [Parte 1]

Un numero crescente di data center aziendali a throughput elevato e bassa latenza, che prima faceva affidamento sui dischi rigidi (HDD) nei propri server, ora sta affrontando dei colli di bottiglia in relazione alle performance. Oggi, essi considerano gli SSD (Solid State Drive) come una soluzione di storage appropriata in grado di incrementare le performance, l'efficienza e l'affidabilità dei data center riducendo al contempo i costi operativi (OpEx).

Per comprendere le differenze tra le diverse classi di SSD, dobbiamo per prima cosa distinguere tra i due componenti chiave di un SSD, il Flash Storage Controller e la memoria NAND flash non volatile utilizzata per archiviare i dati.

Nel mercato moderno, il consumo di SSD e di memoria NAND flash si suddivide in tre gruppi principali:

• dispositivi consumer (tablet, fotocamere, telefoni cellulari)
• sistemi Client (netbook, notebook, ultrabook, AIO, PC desktop), sistemi embedded/commerciali (chioschi per giochi, sistemi costruiti ad hoc, digital signage)
• piattaforme di calcolo Enterprise (HPC, server data center)

Scegliere il giusto dispositivo di storage SSD per un data center aziendale può rivelarsi un processo piuttosto lungo e noioso, durante il quale è necessario testare l'adeguatezza degli SSD di fornitori e tipologie differenti, dato che non tutti gli SSD e le memorie NAND flash sono fatti allo stesso modo.

Gli SSD sono prodotti ideati per una semplice sostituzione o come integrazione di dischi rigidi magnetici (HDD) e sono disponibili in molti fattori di forma differenti, tra cui il formato da 2,5", e con interfacce/protocolli di comunicazione vari, tra cui Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) e, più recentemente, PCIe, per trasferire dati a o dall'unità di elaborazione centrale (CPU) di un server.

Sebbene gli SSD siano semplici da installare, non è garantito che nel lungo periodo siano tutti adatti per le applicazioni per cui l'azienda li ha selezionati.

Se gli SSD si usurano prematuramente per le numerose operazioni di scrittura, se nel loro ciclo di vita stimato il potere di scrittura sostenuto è significativamente più basso, oppure se causano una latenza extra nell'array di storage e quindi devono essere sostituiti in anticipo, il costo di un SSD selezionato erroneamente può spesso annullare tutti i risparmi di costi originali e i vantaggi in termini di performance.

Per aiutarvi a prendere una decisione in merito al vostro prossimo acquisto di storage di riserva o aggiuntivo per un data center aziendale, questo studio prende in considerazione le tre funzionalità chiave che distinguono un SSD Enterprise da un SSD Client: performance, affidabilità e durata.

Performance SSD Enterprise vs. Client

Utilizzando un'architettura multicanale e un accesso parallelo dal controller SSD ai chip della NAND flash, gli SSD possono raggiungere velocità di lettura e scrittura incredibilmente elevate per richieste di dati sequenziali e random da parte della CPU.

Lo scenario tipico di un data center è costituito dall'elaborazione di milioni di byte di dati aziendali random, tra cui disegni tecnici in CAD e dati per l'analisi sismica (per esempio Big Data) oppure l'accesso dei clienti alle transazioni bancarie a livello mondiale (per esempio processi OLTP). L'accesso ai dispositivi storage deve essere effettuato con la latenza più bassa e potrebbe anche essere necessario per molti clienti avere accesso agli stessi dati nello stesso momento, senza che si riducano i tempi di risposta. L'esperienza dell'utente si basa sulla bassa latenza, che incrementa la produttività dell'utente stesso.

Un'applicazione client interessa solo un utente o un'applicazione e il limite di tolleranza tra il tempo di risposta minimo e massimo (o latenza) per l'utente o le attività di sistema è più alto.

Performance non congruenti possono influenzare negativamente gli array di storage SSD complessi (come Network Attached Storage, Direct Attached Storage o Storage Area Network) e creare confusione su latenza dell'array di storage, performance sostenute, e in ultima analisi, qualità del servizio, così come sono percepiti dagli utenti.

A differenza degli SSD client, gli SSD Enterprise non solo sono ottimizzati per garantire le performance massime nei primi secondi di accesso, ma offrono anche performance più elevate e stabili su periodi più lunghi, utilizzando un'area oversized (OP). Per ulteriori informazioni su ciascun disco, visitate la sezione dedicata ai dischi SSD Enterprise sul il sito web di Kingston.

Questo garantisce che le performance dell'array di storage siano coerenti con la quality of service (QoS) che si aspetta l'organizzazione, anche con picchi di carico.

Affidabilità: SSD Enterprise o Client?

Ci sono una serie di problemi associati alla memoria NAND flash. I due più importanti sono l'aspettativa di vita limitata, dato che le celle delle NAND flash sono soggette a usura nel caso di scritture ripetute, e il normale tasso di errore.

Ogni matrice di memoria NAND flash viene testata durante il processo di produzione ed etichettata con un tasso di errore dei bit (BER o RBER). Il BER definisce il tasso di generazione normale degli errori bit nella NAND flash senza compensazione da parte dell'Error Correction Code (ECC). Tali errori vengono corretti dai controller SSD con funzionalità ECC avanzate (chiamate generalmente BCH ECC o Strong ECC o LDPC dai diversi produttori di controller SSD) senza interrompere l'utente o l'accesso al sistema.

La capacità del controller SSD di correggere questi errori bit può essere valutata tramite l'Uncorrectable Bit Error Ratio (UBER), "un'unità di misurazione del tasso di corruzione dei dati corrispondente al numero degli errori dati in rapporto ai bit letti, dopo aver utilizzato determinati metodi di correzione degli errori". [1]

Come definito e standardizzato dalla JEDEC, associazione degli standard di settore, nel 2010 con i documenti JESD218A: Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method e JESD219: Solid State Drive (SSD) Endurance Workloads, gli SSD Enterprise differiscono per diversi motivi dagli SSD client: a titolo esemplificativo e non esaustivo, la loro capacità di supportare un maggiore utilizzo in scrittura, gestire condizioni ambientali più estreme ed eseguire il ripristino con valori BER più elevati rispetto agli SSD client. [2] [3]

Tabella 1 - JESD218A Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method. Copyright JEDEC. Ristampato con il consenso di JEDEC.

Con i requisiti UBER per gli SSD proposti dalla JEDEC, quando si confrontano gli SSD Enterprise con gli SSD Client, si stima che, con una frequenza di 1 bit di errore ogni 10 quadrilioni di bit (~ 1,11 petabyte), si verifica solo 1 errore di bit non recuperabile in un SSD Enterprise, mentre negli SSD Client si verifica 1 errore di bit per ogni quadrilione di bit (~ 0,11 petabyte).

Gli SSD Enterprise di Kingston dispongono inoltre di tecnologie aggiuntive che permettono il recupero di blocchi di dati corrotti utilizzando dati di parità archiviati in altre matrici NAND (analogamente ai dischi RAID, che consentono di recuperare determinati blocchi che saranno poi ricostruiti con i dati di parità, archiviati in altri blocchi).

Per integrare le tecnologie di recupero dei data burst ridondanti negli SSD Enterprise di Kingston, sono stati implementati anche checkpoint periodici, Cyclic Redundancy Check (CRC) e correzione degli errori ECC in un sistema di backup interno end-to-end per garantire l'integrità dei dati in transito dall'host fino alla memoria flash e di nuovo all'host. Per privacy end-to-end si intende un controllo di integrità sui dati ricevuti dall'host mentre vengono archiviati nella cache interna del disco SSD oltre che durante la scrittura o il rendering nelle aree di storage NAND.

Come avviene con la protezione ECC avanzata contro gli errori bit negli SSD Enterprise, gli SSD includono anche un circuito di rilevamento dell'interruzione di alimentazione che gestisce i condensatori di alimentazione dello storage negli SSD. La protezione contro le interruzioni di alimentazione nell'hardware monitora l'energia in entrata nel disco SSD e fornisce temporaneamente energia ai circuiti SSD con condensatori al tantalio in caso di interruzione imprevista dell'energia al fine di completare scritture interne o esterne in sospeso prima che gli SSD si disattivino. I circuiti di protezione contro le interruzioni di alimentazione sono generalmente necessari per le applicazioni in cui la perdita di dati è irreversibile.

La protezione contro le interruzioni di alimentazione può anche essere implementata nel firmware degli SSD spostando frequentemente i dati dalla cache del controller SSD (per esempio, la relativa tabella FTranslation) nella memoria NAND. Questa operazione non garantisce una totale assenza di perdita di dati durante un'interruzione di alimentazione, ma tenta di ridurre al minimo le conseguenze di pericolosi blackout. Grazie alla protezione contro le interruzioni di alimentazione nel firmware, difficilmente il disco SSD potrebbe diventare inutilizzabile in seguito a un blackout improvviso.

In molti casi, utilizzando soluzioni di Software Defined Storage o di server clustering è possibile ridurre la necessità di una protezione contro le interruzioni di alimentazione basata sull'hardware perché tutti i dati vengono replicati su un dispositivo di storage separato e stand-alone, su uno o più server differenti. I data center web-scale spesso rinunciano alla protezione contro le interruzioni di alimentazione e utilizzano software-defined storage su server RAID per archiviare con efficacia copie ridondanti degli stessi dati.

Nella seconda parte di questo articolo che pubblicheremo prossimamente, evidenzieremo le differenze di durata tra i due tipi di SSD con un breve riassunto dei risultati.

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[1] Kingston Technology

[2] Uncorrectable Bit-error-rate (UBER)JEDEC dictionary,

[3] JEDEC Committee JESD218A: JESD218A: Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method, JEDEC Committee

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Testo copyright: Kingston Technology