All-flash СХД: перспективы и проблемы

Что такое All-flash

All-flash – это системы хранения данных в электронном виде. В отличие от СХД на жестких дисках (HDD), у СХД на твердотельных носителях (SSD) отсутствуют движущиеся детали точной механики, которая перемещает и позиционирует магнитные головки для считывания-записи по дискам в HDD. Поэтому при поиске данных в них не возникает задержек из-за вращения дисков, следовательно, скорость отклика у системы хранения на базе SSD значительно выше, чем у HDD.

СХД на жестких дисках (HDD) и СХД на твердотельных носителях (SSD)

У SSD два основных недостатка. Во-первых, пока еще высокая цена. Во-вторых, меньшее число циклов перезаписи по сравнению с HDD. Впрочем, ниже мы покажем, что это несколько надуманная проблема. Кроме того, есть некоторое ограничение по емкости, вызванное ограничениями плотности элементов памяти на единице площади кристалла кремния в микросхемах SSD. Однако прогресс технологий в ближайшем будущем должен минимизировать оба недостатка.

Например, опережающее падение цен на SSD привело к тому, что некоторые модели стоят по 10 центов за гигабайт. Например, накопитель объемом 1 ТБ сейчас можно найти менее, чем за 100 долларов.

Прогнозы аналитиков IBM, Oracle и пр. говорят о том, что через 2-3 года цены в пересчете на терабайт как на SSD (NAND Flash), так и на HDD (Disk) практически сравняются.

Прогноз падения цен на различные носители: SSD (NAND), HDD (Disk) и ленточных (Tape) до 2023 года (источник: Wikibon, IBM, Oracle, различные консультанты и аналитики, 2014 г.)

К неоспоримым преимуществам SSD следует также отнести меньшее потребление электроэнергии, поскольку накопители HDD затрачивают много электроэнергии на механическое вращение дисков и перемещение магнитных головок к нужному сектору с данными.

Кроме того, технологии All-flash бурно развиваются в сторону увеличения объема хранимых данных на единице площади кристалла за счет «объемной» технологии 3D NAND, которая позволяет резко повысить плотность хранения данных на кристалле SSD.

Объемная структура накопителя 3D NAND (источник: Lam Research, Itelon)

Однако у этой замечательной технологии есть и свои проблемы. В первую очередь это сложность производства. Многочисленные слои 3D NAND подвержены внутренним напряжениям (механическим). Любой дефект во внутренних каналах, пронизывающих слои (high aspect-ratichannels), может создать короткое замыкание и взаимную интерференцию сигналов, проходящих по соседним каналам. Также требуются чрезвычайно высокая точность нанесения слоев и исключительный контроль производственного процесса. Это существенно удорожает производство, поэтому цены SSD, несмотря на кажущуюся простоту по сравнению с высокоточной механикой в HDD, продолжают держаться выше HDD.

Пока же на рынке систем хранения преобладают массивы на магнитных дисках HDD. Получают распространение гибридные массивы: HDD для долговременного хранения, SSD – для кратковременного хранения данных, обращения к которым происходят чаще, следовательно, для них нужна меньшая задержка. Часто это очень критично для бизнеса – задержка в несколько десятков миллисекунд может нарушить плавность хода производственного или бизнес-процесса. Задержка записи-считывания в накопителях SSD меньше в разы, а то и на порядки.

Сравнение задержек в HDD с различными типами SSD (источник: chansblog.com/tag/ef570/)

Гибридные массивы HDD/SSD используются в случаях, когда требуется баланс между производительностью и экономичностью. Используя их можно выбрать оптимальное соотношение производительности и емкости. Важное преимущество таких массивов – возможность легко добавлять флеш-диски SSD по мере необходимости.

Когда и зачем нужны All-flash

Системы хранения All-flash строятся целиком на твердотельных дисках SSD. Почему-то их продолжают называть дисками, хотя внутри них никаких дисков нет, а есть только микросхемы памяти. Наверное, потому что, будучи заключенными в стандартный корпус 2,5 или 3,5 дюйма, они выглядят одинаково.

Если заказчику в любой отрасли нужна максимальная производительность СХД, то альтернативы твердотельным накопителям All-flash сейчас нет. Если объем хранимых данных невелик, то часто гибридные СХД с учетом стоимости лицензии на многоуровневое хранение и их меньшей производительности проигрывают All-flash системам, которые оказываются быстрее, проще и дешевле. Применение встроенных механизмов дедупликации и сжатия данных в твердотельных СХД при сохранении достаточной производительности уже сейчас позволяет в ряде случаев получать более выгодные решения, чем на гибридных системах.

All-flash предпочтительнее для использования в аналитике больших данных, нейросетях, видеоаналитике и других приложениях, которые требуют более низких задержек обмена данными.

В последнее время наметилась тенденция перемещения вычислений непосредственно в памяти, чтобы избежать задержек на пересылку данных между СХД и серверами через объединительные панели, интерфейсы, протоколы и пр. При этом не только увеличивается задержка, но и ерастет энергопотребление. Поэтому для больших данных и нейросетей все больше применяются системы с вычислениями в памяти (in-memory), а они легче всего реализуются на All-flash.

Традиционные архитектуры не могут выполнить в оперативной памяти весь объем вычислений с промежуточным хранением результатов. Поэтому периодически приходится отправлять их в СХД на HDD или SSD. Хотя SSD имеет гораздо более низкую задержку, это несильно помогает ускорить вычисления. Много времени тратится на пересылку данных между ОЗУ (Memory) и СХД (Storage), которой управляет процессор (CPU), что «отъедает» его вычислительную мощность.

Поэтому эмуляцией ОЗУ в наиболее быстродействующей памяти NVMe SSD можно добиться значительного ускорения вычислений.

Сравнение вычислений в традиционной архитектуре и вычислений In-memory (источник: https://blog.westerndigital.com/in-memory-computing-scale-ultrastar-memory-drive)

В частности, это требуется при использовании нейронных сетей, например, для распознавания лиц. Если не использовать in-memory, то распознавание лица человека или, что сложнее, определение его личности может занять достаточно длительное время.

Вытеснят ли All-flash магнитные диски HDD

Вытеснят ли в обозримой перспективе накопители All-flash магнитные диски HDD или все же All-flash не всегда будет иметь преимущества перед HDD, несмотря на прогресс технологий?

Накопители HDD можно условно поделить на два больших класса – быстрые и емкие.

Первые из них уже сейчас стремительно вытесняются SSD и относительно скоро их производство, видимо, будет прекращено из-за падения спроса.

Перспективы емких HDD выглядят более оптимистично. Пока это наиболее экономичный способ хранения больших объемов данных. Поскольку сейчас магнитные диски практически достигли физического предела плотности магнитной записи, то дальнейшая судьба дисковых накопителей будет зависеть от успешности внедрения новых физических принципов записи – HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) и MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording).

Отдельно стоят ленточные накопители, обладающие уникальными преимуществами. Скорее всего, в обозримом будущем ленты не выйдут из употребления и на них продолжат хранить колоссальные объемы данных, в основном архивных.

В целом сосуществование HDD, гибридных HDD/SSD и All-flash продолжится еще достаточно долго, поскольку у каждого типа хранилища есть свои преимущества и области применения.

Проблема ограничения числа перезаписей полупроводниковых ячеек в SSD NAND

Хотя заявляемые характеристики допустимого числа перезаписей ячеек памяти SSD ниже, чем в HDD (там она практически не ограничена), однако опыт IT-компаний говорит о том, что серьезность этой проблемы несколько преувеличена в восприятии инженерного сообщества.

Хотя число перезаписей (изменения типа заряда под затвором полевого транзистора) в SSD действительно ограничено, однако надо иметь в виду следующее:

• Число перезаписей сильно зависит от качества и точности изготовления полупроводникового элемента SSD на заводе по производству микросхем. Это очень сложный процесс, требующий высочайшей чистоты воздуха (считается число пылинок в кубическом метре). Высокое значение имеет механическая точность устройств фотолитографии и нанесения слоев полупроводника и металла на кристаллическую подложку. Если все выполнено безупречно, то и полупроводниковый элемент будет работать долго и надежно. В реальности же для параметра количества перезаписей выбирается некоторая усредненная величина, которая учитывает разные условия производства на разных фабриках, в разных географических местах, как совершенные, так и не очень. А климат и окружающая среда достаточно сильно влияют на т. н. коэффициент выхода годных изделий на заводах полупроводниковых микросхем. Лучше всего их размещать в регионах с сухим и жарким климатом – например, в штате Аризона, где даже пшеницу хранят без элеваторов под открытым небом. Однако там высока стоимость рабочей силы. А например, в Малайзии, где климат жаркий и влажный, много дождей, а культура производства зависит от местного персонала, выход годных изделий снижен, как и показатель продолжительности работы ячейки памяти SSD. Поэтому в интегральном показателе учитывается некое усредненное значение. HDD менее зависят от подобных факторов. Повышение точности производственного процесса производства SSD постепенно нивелирует прогнозную продолжительность жизни SSD и HDD.
• В SSD гораздо легче выполнять резервирование блоков данных, поэтому выход из строя каких-то элементов памяти не будет оказывать критического влияния на продолжительность жизни СХД в целом. В HDD же выход из строя одного или нескольких «блинов» диска может привести к недоступности всего диска. А это становится причиной гораздо более есерьезных проблем, вплоть до отказа всей СХД в целом, по английской пословице «оттого, что в кузнице не было гвоздя». При потере или отсутствии такого «гвоздя» в SSD не возникает столь есерьезных проблем.
• Следует также учесть и то, что в каждом диске HDD есть и микросхемы контроллера. То есть на ненадежность магнитных ячеек на диске накладывается еще и возможность отказа микросхем, а они тоже выполнены по технологии C-MOS, схожей с той, которая используется для ячеек памяти SSD. Поэтому учитывать в показателе долговечности HDD только надежность хранения данных на магнитном диске – некоторое лукавство.

Все вышеизложенное подтверждается и опытом заказчиков ITELON, который говорит о том, что в реальных условиях твердотельные накопители SSD не успевают износиться за весь срок службы СХД, и они не проявляют каких-либо признаков деградации характеристик. Поэтому теоретически возможный износ SSD не выглядит реальной проблемой.

Иногда создается впечатление, что проблема меньшего времени жизни SSD специально запущена производителями жестких дисков.

Верно ли то, что All-flash окупается только для больших объемов данных

Что касается величины объемов данных и предпочтительного использования All-flash, то прямой причинно-следственной связи здесь не прослеживается. Потребность в использовании SSD диктуется исключительно требованиями приложений: задержка, IOPS, доступность данных, надежность. По-видимому, на ближайшее время наиболее популярным решением будет гибридное хранение: SSD для «горячих» данных, HDD для «холодных».

Краткая сводка ТТХ

Примеры продуктов

HPE MSA 2052

1. Общее описание

HPE MSA 2052 представляет собой недорогую СХД SAN, работающую в режиме All-flash или гибридном. MSA 2052 динамически распределяет рабочие нагрузки по уровням доступа в автоматическом режиме. Они хорошо масштабируются и позволяют использовать любые сочетания накопителей, в том числе SSD. Предусмотрена возможность переноса данных с моделей предыдущего поколения.

MSA 2052 поддерживает более 200К IOPS и обеспечивает вдвое более высокую производительность по сравнению с моделями предыдущего поколения при той же цене.

Внешний вид HPE MSA 2052 (источник: HPE)

2. Характеристики, функционал

All-flash накопитель HPE MSA 2052 может иметь емкость 614 Тбайт или 1342 Тбайт в зависимости от форм-фактора. Он может содержать до 192 накопителей SAS/MDL SAS/SSD 2,5” или 96 накопителей SAS/MDL SAS/SSD 3,5”.

Накопитель может иметь 8 или 16 интерфейсов Fibre Channel, один интерфейс 1 GbE или 10GbE iSCSI или 12 Гбит/с SAS.

Контроллер хранилища HPE MSA 2050 может быть либо SAN, либо SAS в зависимости от модели.

Таблица 1. Параметры и характеристики HPE MSA 2052 (источник: HPE)

3. Конструктивное исполнение

• Форм-фактор 2U.
• Минимальные размеры (В x Ш x Г) 8,9 x 49,5 x 44,7 см.
• Масса 18,4 кг.

4. Сценарии применения

Система обеспечивает доступное по цене ускорение работы приложений для предприятий малого и среднего бизнеса как при локальной, так и при удаленной установке.

5. Особенности

MSA 2052 SAN проста в установке, использовании и обслуживании, опыт работы с системами хранения не требуется. Автоматизированный механизм распределения по уровням динамически реагирует на изменения рабочей нагрузки, не требуя вмешательства оператора.

Базовая модель с гибкими возможностями расширения обеспечивает вдвое большую производительность по сравнению с моделями системы хранения HPE MSA 2040 SAN предыдущего поколения при той же цене.

По данным НРЕ, в течение последних восьми лет HPE MSA 2052 SAN являлась лучшей в отрасли платформой хранения данных начального уровня с интерфейсом Fibre Channel (FC).

HPE Nimble

1. Общее описание, модельный ряд

В 2014 г. компания Nimble (с 2017 года входит в состав Hewlett Packard Enterprise) сообщила о достижении доступности системы свыше 99,999 %. Через два года было объявлено о достигнутом показателе в 99,999928 %. При такой доступности время простоя системы за год составляет менее 28 секунд.

В отличие от MSA, в СХД HPE Nimble имеются функции дедупликации и компрессии данных. Поэтому при одинаковом полезном объеме для систем хранения HPE MSA требуется гораздо большая «сырая» емкость. Хотя удельная цена MSA меньше, на ряде конфигураций это обстоятельство делает сравнимой цену разных систем.

Модельный ряд СХД Nimble (источник: НРЕ)

2. Характеристики, функционал

Системы HPE Nimble Storage специально разрабатывались для функционала NVMe и Storage Class Memory (SCM).

СХД Nimble использует платформу прогнозной аналитики InfoSight, в которой хранятся данные о работе всего парка развернутого оборудования. На основе этих данных улучшаются процедуры поддержки. Доступность оборудования контролируется с учетом версий ПО, моделей и пр. Эти данные анализируются с помощью алгоритмов «искусственного интеллекта», при этом выясняются причины всех сбоев. Это дает возможность устранить отказ до того, как о нем узнает заказчик, или предотвратить возникновение такого отказа.

Алгоритм работы InfoSight (источник: НРЕ)

InfoSight собирает информацию с датчиков в СХД и серверах HPE, а также в их окружении, включая сети и платформу виртуализации. Затем проводится машинное обучение с применением алгоритмов математической статистики и нейронных сетей. Это позволяет работать с неструктурированными данными для выявления паттернов в сведениях, поступающих с датчиков от всех устройств по всему миру. На основе наблюдения и обучения анализируются возможные неисправности. После этого выдаются рекомендации о прогнозном предотвращении неполадок, а также по улучшению производительности и оптимизации использования ресурсов.

3. Конструктивное исполнение

В модельном ряду HPE Nimble есть как All-flash-массивы для основных нагрузок, так и гибридные flash-системы, объединяющие производительность SSD и экономичность HDD. Гибридные flash-массивы HPE Nimble можно использовать как для основного хранения, так и для резервного копирования и аварийного восстановления данных в комбинации с All-flash.

4. Сценарии применения

Системы HPE Nimble предоставляют единую платформу для резервного копирования и аварийного восстановления и позволяют решать различные задачи в области разработки, тестирования и аналитики. Функции дедупликации и сжатия обеспечивают эффективное использование данных и сокращение расходов.

Дополнительные флеш-массивы HPE Nimble Storage Secondary Flash интегрированы с ПО повышения доступности данных Veeam с графическим интерфейсом.

5. Особенности

HPE InfoSight позволяет решить проблемы и сократить затраты времени благодаря изменениям процессов управления и поддержки системы хранения данных. Решение анализирует данные, получаемые c датчиков парка установленного оборудования СХД, обеспечивает ежедневный круглосуточный контроль инфраструктуры.

HPE InfoSight предусматривает многофакторную защиту данных с доступностью 99,9999 % с автоматизированной поддержкой HPE InfoSight (не более 30 секунд простоя в год).

С точки зрения информационной безопасности, InfoSight не создает уязвимостей для пользовательских приложений, так как не имеет доступа к данным и программному коду. HPE InfoSight имеет доступ только к телеметрии СХД и его среды. Телеметрия собирается и передается по защищенным протоколам, а проактивные действия проводятся только с одобрения системного администратора.

Наличие двух контроллеров исключает т. н. единую точку отказа (single point of failure), т. е. точку в системе, отказ которой приводит к отказу целой системы. Такое резервирование заложено не только в аппаратной, но и в программной архитектуре, которая предусматривает не менее чем трехуровневый контроль четности RAID и комплексную проверку целостности данных.

Синхронная репликация на нескольких узлах с автоматическим переключением при сбое обеспечит непрерывность бизнес-процессов в случае выхода систем из строя или природных катаклизмов и гарантирует стабильную интерактивную работу всех ваших приложений. Решение HPE Peer Persistence, построенное на базе отказоустойчивой архитектуры системы хранения данных HPE 3PAR, бесплатно устанавливается на системах HPE Nimble Storage.

Fujitsu Eternus AF

1. Общее описание, линейка продукции

Твердотельные массивы хранения данных Fujitsu серии Eternus AF обеспечивают преимущества All-flash и поддержку приложений первого уровня. Малое время отклика, высокая производительность, функции зеркалирования и переключения на резервную систему в случае возникновения неполадок, выборочное использование возможностей дедупликации и сжатия, а также легко настраиваемая автоматическая функция «качество обслуживания», которая позволяет сократить объем операций администрирования.

Линейка продукции содержит три основных модели:

ETERNUS AF150 S3 – недорогой массив накопителей All-flash начального уровня для среднего и малого бизнеса.

ETERNUS AF250 S3 предназначена для сценариев с большими объемами данных, требующих высокой производительности системы IOPS с малым временем отклика при полной загрузке системы: таких, как бизнес-аналитика в реальном масштабе времени или среды с высокой нагрузкойвиртуализации рабочих мест VDI с графическими приложениями. Наилучший выбор для СХД Fujitsu общего применения для приложений Tier-1 на предприятиях среднего и малого бизнеса.

ETERNUS AF650 S3 – высокопроизводительная СХД с автоматизацией обслуживания, высоким коэффициентом использования ресурсов и с хорошей окупаемостью. Предназначена для сценариев с массивным базами данных, бизнес-критичными приложениями, бизнес-аналитики в реальном времени и приложений Big Data. Высокая доступность и возможности катастрофоустойчивости.

Серия Fujitsu Eternus AF (источник: Fujitsu)

2. Характеристики, функционал

Таблица 2. Характеристик