Yritysten palvelinkeskukset, joiden toiminta edellyttää korkeaa suorityskykyä ja lyhyttä viivettä, ja jotka ovat palvelimissaan luottaneet perinteisiin kiintolevyihin, kohtaavat yhä useammin laitteiston suorituskyvyn rajallisuudesta johtuvia ongelmia. Puolijohdemuistit eli SSD-levyt ovat mahdollinen ratkaisu, joka voi kasvattaa palvelinkeskusten suorityskykyä, tehokkuutta ja luotettavuutta alentaen samalla operatiivisia kustannuksia (OpEx, Operational Expenditures).  Jotta SSD-levyjen eri luokkien eroja voi ymmärtää, on ymmärrettävä ero SSD-levyn kahden keskeisen osan välillä: flash-muistiohjaimen ja pysyvän NAND flash-muistin, joita käytetään tiedon säilyttämiseen.

Nykyään SSD-levyjen ja NAND flash-muistien käyttötarkoitukset on jaettu kolmeen pääryhmään:

• Kuluttajalaitteet (taulutietokoneet, kamerat, matkapuhelimet)
• Asiakasjärjestelmät (minikannettavat, perinteiset kannettavat, ultrabook-kannettavat, AIO-tietokoneet, pöytätietokoneet), integroidut/kaupalliset (pelikoneet, mittatilausjärjestelmät, digitaaliset näytöt)
• Yritysten digitaaliset alustat (HPC, palvelinkeskuspalvelin)

Palvelinkeskukseen sopivan SSD-muistin valinta voi olla pitkä ja haastava oppimiskokemus. Valinnan tekeminen vaatii eri SSD-levyjen myyjien ja tuotetyyppien sopivuuden testaamista, koska kaikkia SSD-levyjä ja NAND flash-muisteja ei valmisteta samalla tavalla.

SSD-levyt on suunniteltu niin, että niillä on helppo korvata tai täydentää perinteisiä mekaanisia kiintolevyjä. Niitä on saatavissa erikokoisina, mukaan lukien 2,5-tuuman formaatti, ja niissä on erilaisia protokollia ja liitäntöjä, kuten Serial-ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) ja viimeisimpänä PCIe tiedon siirtämiseen keskusyksikön ja palvelimen välillä.

Vaikka SSD-levyt ovat helppoja asentaa, ne kaikki eivät välttämättä sovi yrityksen valitsemiin käyttötarkoituksiin pitkällä aikavälillä. Jos SSD-levy kuluu ”ylikirjoittamisen” takia loppuun ennenaikaisesti, sen kirjoitusteho odotetun käyttöiän aikana on merkittävästi matalampi, josta puolestaan aiheutuu ylimääräistä viivettä koko tallennusjärjestelmään. Tällöin väärin valittu SSD-levy pitää korvata uudella suunniteltua aiemmin, jolloin tavoitellut säästöt ja suorituskyvyn hyödyt vesittyvät.

Auttaaksemme sinua tallennuskapasiteetin valinnassa, keskitymme kolmeen ominaisuuteen, jotka erottavat yritysten SSD-levyt käyttäjätason SSD-levyistä: suorituskyky, luotettavuus ja kestävyys.  

Suorituskyky

SSD-levyt voivat saavuttaa hyvinkin korkeita luku- ja kirjoitusnopeuksia sekä peräkkäisissä että satunnaisissa keskusyksikön tiedonhauissa käyttämällä monikanavaista arkkitehtuuria ja rinnakkaispääsyä SSD-levyn ohjaimesta NAND -muistisiruille.

Palvelinkeskuksen tyypillinen tarkoitus on käsitellä yrityksen miljoonia satunnaisia bittejä, kuten teknisiä tietokoneavusteisia (CAD) piirroksia ja seismistä analyysitietoa (esimerkiksi Big Data) tai asiakkaiden maailmanlaajuisia pankkisiirtoja (esimerksi OLTP, Online Transaction Processing). Tallennuslaitteisiin tulee päästä mahdollisimman pienellä viiveellä ja joissain tapauksissa useilla asiakkailla tulee olla pääsy samoihin tietoihin samaan aikaan ilman, että se vaikuttaa vasteaikaan. Käyttäjäkokemus perustuu lyhyeen viiveseen, mikä kasvattaa käyttäjän tuottavuutta.

Käyttäjän päätelaitteessa suoritettava sovellus vaikuttaa vain yhteen asiakkaaseen tai sovellukseen, jolloin vasteajan (tai viiveen) minimi- ja maksimiaikojen sallittu vaihteluväli käyttäjälle tai järjestelmätoiminnalle on suurempi.

Yhteensopimattomalla suorityskyvyllä voi olla kielteisiä vaikutuksia monimutkaisiin SSD-tallennusjärjestelmiin (esimerkiksi NAS, DAS ja SAN), kuten tallennusjärjestelmän viiveeseen, pitkäkestoiseen suorituskykyyn ja lopulta käyttäjien kokemaan palvelun laatuun.

Toisin kuin käyttäjätason SSD-levyt, yritysten SSD-levyjä ei ole pelkästään optimoitu huippusuoritukseen ensimmäisten käyttösekuntien aikana, vaan lisäksi tarjoamaan vakaata, pitkäkestoista suorituskykyä käyttämällä isompaa, varaamatonta muistialuetta (OP, Over-provisioning). Saadaksesi lisätietoa eri levyistä katso Enterprise SSD-levyt Kingstonin verkkosivuilla.

Tämä takaa sen, että tallennusjärjestelmän suorituskyky täyttää palvelulle asetetut laatuodotukset (QoS, Quality of Service) jopa maksimikuormituksessa.  

Luotettavuus



NAND flash-muisteihin liitetään useita ongelmia. Kaksi tärkeintä ovat rajallinen käyttöikä, joka johtuu NAND flashin kennojen kulumisesta useiden kirjoituskertojen takia, sekä virheiden normaali esiintymistiheys.  Kaikki NAND flash -levyt testataan valmistusprosessin aikana piikiekoilla ja niihin merkitään virheiden esiintymistiheys (BER tai RBER). BER määrittelee tiheyden, jolla tavallisia bittivirheitä tapahtuu NAND flash -piirissä ilman, että virhekorjauskoodi (ECC) kompensoi niitä ja jotka SSD-ohjain korjaa spontaanilla, edistyneellä ECC-virheenkoraustoiminnolla (jota eri SSD-ohjainvalmistajat kutsuvat joko nimellä BCH ECC, tai Strong ECC tai LDPC) keskeyttämättä käyttäjän tai järjestelmän mahdollisuutta käyttää laitetta.

SSD-ohjaimen kyky korjata bittivirheitä voidaan ilmaista korjaamattomissa olevien bittivirheiden suhdeluvulla eli UBER:lla (Uncorrectable Bit Error Ratio). UBER tarkoittaa tiedon korruptoitumismäärän mittaa, joka vastaa datavirheiden määrää luettua bittiä kohti sen jälkeen, kun on käytetty tiettyjä virheenkorjausmenetelmiä. [1]

SSD-levyjen standardisointiorganisaatio JEDEC määritteli vuonna 2010 asiakirjoissa JESD218A: Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method ja JESD219: Solid State Drive (SSD) Endurance Workloads, että yritysten konesaleihin tarkoitetut SSD-levyt eroavat käyttäjätason SSD-levyistä monin tavoin, kuten mm. niiden kyvyllä tukea korkeampia lukunopeuksia, kestää haasteellisempia ympäristöolosuhteita ja palautua korkeammasta bittivirhesuhteesta. [2] [3]

Taulukko 1 - JESD218A Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method Tekijänoikeudet: JEDEC: Käyttö JEDEC:n luvalla.   Verrattaessa yritysten SSD-levyjä käyttäjätason SSD-levyihin, JEDEC:n ehdottamissa SSD-levyjen UBER-vaatimuksissa oletetaan, että 1-bitin virhesuhteella 10 kvadriljoonasta bitistä (noin 1,11 petatavua) yritystason SSD-levyllä tapahtuu vain yksi korjaamattomissa oleva bittivirhe, toisin kuin käyttäjätason SSD-levyllä, jossa yksi bittivirhe prosessoidaan yhtä kvadriljoonaa bittiä kohti (noin 0,11 petatavua).

Kingston Enterprise SSD-levyissä on täydentäviä teknologioita, jotka mahdollistavat korruptoituneiden tietolohkojen korjaamisen NAND-levyille tallennetulla pariteettidatalla (samankaltaisesti kuin RAID-konfiguraatiot, jotka sallivat muille lohkoille tallennettuun pariteettidataan perustuvan tietolohkon palautuksen uudelleen rakentamista varten).

Kingstonin yritystason SSD-levyissä bittivirheiden korjaamiseen käytettävät jaksottaiset tarkistuspisteet, Cyclic Redundancy Check -teknologia (CRC) ja ECC-virheenkorjaus on implementoitu sisäiseen päästä päähän -varmistusjärjestelmään, jolla varmistetaan tiedon eheys palvelun isännältä flash-muistiin ja takaisin. Päästä päähän tarkoittaa tässä tapauksessa, että isännältä saatujen tietojen eheys tarkistetaan, kun ne tallennetaan SSD-levyn sisäiseen välimuistiin ja kirjoitetaan tai luetaan NAND -muistialueiden toimesta.

SSD-levyissä on myös virran alenemista monitoroiva mikropiiristö, joka ohjaa SSD-levyn energiaa varastoivia kondensaattoreita. Virtakatkoksen ilmaannuttua mekanismi tuottaa tantaalikondensaattoreista lyhytaikaista varavirtaa, jotta tiedot saadaan tallennettua ennen SSD-levyn sammumista. Yleensä virransyöttöongelmilta suojaavia virtapiirejä tarvitaan sovelluksiin, joissa tiedonmenetys on peruuttamatonta.

Suojaus virransyöttöongelmia vastaan voidaan toteuttaa myös SSD-laiteohjelmassa poistamalla tiedot SSD-ohjaimen välimuistista NAND-muistiin säännöllisesti. Tämä ei takaa, että sähkökatkoksen aikana ei menetettäisi lainkaan tietoja, mutta sillä pyritään minimoimaan sähkökatkosten vaikutukset. Suojauksella pyritään lisäksi varmistamaan, että SSD-levy säilyisi toimintakuntoisena myös äkillisen, ennalta arvaamattoman sammumisen jälkeen.

Monissa tapauksissa ohjelmistopohjaisen tallennuksen (SDS, Software Defined Storage) tai palvelinklusterin käyttö voi vähentää laitteistoon perustuvan virransyöttöongelmien tuen tarvetta, koska kaikki tiedot on kopioitu erilliseen ja itsenäiseen tallennuslaitteeseen eri palvelimessa tai palvelimissa. Pilvipalvelinkeskukset luopuvat usein virransyöttöongelmien tuesta ja käyttävät ohjelmistopohjaista tallennusjärjestelmää RAID-konfiguraatioissa tietojen kopioiden tehokkaaseen säilytykseen.  

1. Kingston Technology
2. Uncorrectable Bit-error-rate (UBER)JEDEC sanakirja,
3. JEDEC-komitea JESD218A:  JESD218A: Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method, JEDEC Committee

 Tekstin tekijänoikeudet: Kingston Technology Kuvien tekijänoikeudet: msS200 120G, Kingston Technology

Tämän artikkelin toisessa ja viimeisessä osassa esittelemme yritys- ja käyttäjätason SSD-levyjen kestävyyserot ja lyhyen tiivistelmän vertailun tuloksista.