Odborná sekce
„TOP TEN“ trendy v IT – Exploze Flash technologií
24.02.2014, 09:33
Data a výkonnost. Poslení léta jsou ve znamení masivního nástupu Flash/SSD technologií do segmentu diskových polí. Klasické SSD však mají svá omezení a proto výrobci diskových polí vyvíjejí nové flash technologie. Jaké to má důvody?
Proč Flash technologie?
Využití FLASH/SSD v rámci diskového systému má svoje opodstatnění. I relativně malá FLASH/SSD kapacita ve spojení s funkcí automatického tieringu, dokáže velmi významně akcelerovat výkonnost diskových systémů. Trik spočívá ve faktu, že za běžných okolností systémy statisticky pracují jen s malým objemem aktuálních dat, zatímco většina dat na diskovém poli má povahu „spících dat“.
 |
Velmi výmluvný je výzkum společnosti Gartner, který dospěl k závěru, že spojení automatického tieringu a SSD vrstvy o kapacitě pouhých 3% celkové instalované kapacity obslouží až 80% Input/Output požadavků generovaných infrastrukturou.
Úskalí Flash technologie
Nicméně i použití SSD disků v diskovém poli má své technologické konsekvence a je dobré porozumět technické i obchodní rovině. Faktem je, že trh s flash technologiemi roste. Trendy předpovídají růst 14 % ve firemním segmentu. Nicméně největší nárůst je stále předpovídán v segmentu spotřební elektroniky (53 %), kam také míří většina SSD vendorů.
Protože většina příjmů výrobců SSD pochází právě ze segmentu spotřební elektroniky, nejsou příliš motivováni k vývoji technologií pro Enterprise storage systémy.
To s sebou nese několik důležitých aspektů. SSD tier je mimořádně vhodná technologie pro akceleraci náhodných čtecích operací. Z hlediska zápisu náhodných operací je sice také podstatně výkonnější než klasické „točivé disky“, avšak podstatně méně než v případě čtecích operací. Je to dáno konstrukcí NAND Flash technologie, kde data jsou organizována po stránkách. V případě zápisu je nutný výmaz celé stránky, což zvětšuje režii a latence.
Pokud je třeba přepsat údaje, stará stránka je označena za neplatnou a data jsou zapsána na novou stránku. Až se nakonec celý blok SSD kapacity zaplní, musí být provedeno uvolnění místa alokovaného v zneplatněných stránkách. Před vymazáním bloku jsou validní stránky uloženy do paměťového bufferu a po výmazu jsou znovu zapsány. Tento proces je znám jako „garbage collection“. Během této operace SSD disk neobsluhuje write operace a to má za důsledek špičky latencí, které jsou známé jako „write cliff“.
 Pokles výkonnosti SSD disku z důvodu interní režie (Garbage Collection) |
Flash bývá řazena do kategorie non –volatile pamětí, tedy pamětí uchovávající informace i bez zdroje energie. To však není zcela přesné. Informace je v paměťových buňkách držena ve formě náboje na tenkém hradle oxidu křemíku. Náboj na hradle však celou řadou fyzikálních principů degraduje, a paměťovou informaci je třeba čas od času obnovit.
 Struktura paměťové buňky |
Výše uvedené refreshování a všechny write instrukce však životnosti ténké vrstvy oxidu křemíku vůbec neprospívají. Mazání a zápisy se uskutečňují elektrickým polem o intenzitě několik milionů voltů na centimetr. To vystavuje hradla z oxidu křemíku velkému stresu a v hradle dochází ke strukturálním změnám. V oxidu křemíku dochází k defektům, které uvězní elektrony a pokud je těchto defektních míst mnoho, dojde k průrazu hradla a tím ke zničení paměťové buňky.
Příčiny průrazu hradla pamětové buňky
Životnost buňek MLC flash je řádově tisícovka zápisů. To není mnoho a proto podobně jako u točivých disků zde musí existovat „servisní oblasti“ a sofistikované algoritmy řešící opravné kódy a hlídání životností buněk.
Mimochodem, právě v těchto samoopravných mechanismech se liší běžné komerční MLC disky od těch „enterprise MLC (eMLC) disků do diskových polí. Je to zároveň to důvod, proč se cena eMLC disků pohybuje téměř o řád výše. Disky typu eMLC používají sofistikovanější opravné algoritmy s větší režií.
Nároky na výpočetní výkon Flash řadiče...
Jak bylo posáno, obsluha flash pamětí – refreshing, realokace opotřebených buňek, řízení stránkování a práce s metadaty vyžaduje vysoký výpočetní výkon SSD řadiče. Komoditní SSD disky , které jsou optimalizovány na výrobní náklady , používají single core procesor , který omezuje jejich schopnost řídit vyšší kapacity SSD. Proto výrobci enteprise diskových systémů, jakým je např. Hitachi, kráčejí cestou vlastního vývoje.
Hitachi Flash Modul Drive
Výrobce diskových polí - Hitachi Data Systém (HDS), proto přistoupil k vývoji vlastního chipu pro řízení flash modulů s cílem dosáhnout většího výkonu, větší životnosti a nižší ceny. Výsledkem vývoje je tzv. „Flash Modul Drive (FMD)“ s unikátním čyřjádrovým řídícím čipem schopným obsloužit až 128 NAND flash čipů. To v současnosti představuje kapacitu 3.2TB na jeden flash modul.
Hitachi Flash Modul Drive
Výkonnost Hitachi Flash Modul Drive je díky tomuto controlleru o 40% vyšší, než výkon ekvivalentní kapacity složené z 400 GB SSD. Více jader řídícího čipu umožňuje, aby výše popsaný proces „garbage collection“ byl obsloužen bez drop-outů v obsluze příchozích IO operací.
 |
Na rozdíl od standardních SSD umožňuje technologie Flash Modul Drive (FMD) silný paralelismus. Směrem ke kontrolerům diskového pole má FMD 8 cest, směrem k interním Flash čipům má FMD 32 cest. Pokročilejší mechanismy jsou i v oblasti ochrany před chybami způsobenými opotřebením paměťové buňky v MLC čipu. Kromě všech mechanismů, které jsou známé z technologie „enterprise MLC“ je to dále lepší zabezpečení ECC. FMD používá zabezpečení 42 bitů ECC na 1,4 kB dat, což je téměř dvojnásobek oproti SSD. FMD je vybaven in-line kompresí dat, jejímž smyslem je zejména minimalizace množství zapisovaných informací a tím i míry opotřebení MLC paměťových buněk. Podrobné technické informace ke konstrukci FMD technologie jsou k dispozici zde.
Tato technologie je k dispozici v systémech Hitachi a to konkrétně v diskových polích kategorie Enterprise (HUS-VM a VSP) a je také k dispozici v nejvyšším modelu kategorie modulárních diskových polí (HUS150).
Ekonomika jako vždy na prvním místě…
Doba technologických nadšenců je minulostí a rozhodující roli dnes hraje ekonomický pohled. To byl i důvod, který vedl Hitachi k vývoji vlastní ho Flash modulu, který dosahuje podstatně nižší ceny a to jak z pohledu ceny za gigabajt, tak z hlediska ceny za oblouženou IO operaci.
 |
Jak bylo v článku mimo jiné vysvětleno, Flash/SSD technologie má v sobě „geneticky zakódovanou“ omezenou životnost. Řada výrobců tento fakt řeší tak, že vyloučí opotřebené SSD disky ze supportu právě s poukazem na opotřebení nad deklarovanou životnost SSD disku!
Hitachi se ke svým zákazníkům chová korektně a nehraje žádné triky s „opotřebením SSD/Flash“. Selhaný SSD disk, ať už selhání nastalo z jakéhokoliv důvodu, je zdarma vyměněn v rámci standardní podpory.
Pokud Vám tedy dosluhuje stávající diskový systém, rádi Vás uvítáme a naši specialisté Vás provedou úskalím optimálního návrhu a výběru datového úložiště.