Ten eerste de dalende prijs van FLASH chips, ten tweede de toenemende

prestatieproblemen als gevolg van I/O-fl essenhalzen binnen data centers.

Daarbij moeten we denken aan tijdkritische applicaties, relationele data-

bases en sinds kort ook virtuele omgevingen. Het toenemende verschil in

prestaties tussen processor en disktoegangstijden is namelijk een van de

belangrijkste oorzaken van deze ontstane bottlenecks. Want ook al wor-

den processoren steeds sneller, de gemiddelde toegangstijd van disken

neemt nog maar nauwelijks toe. Reden waarom gebruikers steeds vaker

overwegen om een SSD te implementeren voor het oplossen van een I/O

probleem. Naast de betere prestaties kent de SSD een aantal voordelen

ten opzichte van hard disks: minder stroomverbruik, meer betrouwbaar,

minder gewicht, meer schokbestendig en geen last van datafragmentatie.

Naarmate de prijzen van SSDs dalen, wordt het steeds interessanter

om SSDs voor deze specifi eke toepassingen in te zetten. De belang-

rijkste vragen waar de gebruiker zich de komende jaren voor gesteld ziet

is: welk type SSD moet men kiezen, op welke plaats in de IT-architectuur

moet een SSD worden toegepast en in welke situatie moet men over

gaan tot de aanschaf van SSDs? Daarvoor is het van belang dat de

gebruiker de voor- en nadelen kent tussen de verschillende type SSD-

technologieën en toepassingen. Hierna volgt een kort overzicht.

DRAM en FLASH SSDs

Voor SSD worden twee type geheugenchips gebruikt: dynamisch en

statisch random access memory (ram). Het verschil in beide typen ram

heeft betrekking op de manier waarop data wel of niet permanent wordt

opgeslagen (respectievelijk ‘volatile’ en ‘non-volatile’ ram genaamd).

Bij Dynamic Random Access Memory (DRAM) gaat de opgeslagen

informatie verloren zodra de spanning op de geheugenchip wegvalt, dit

in tegenstelling tot Flash chips waarbij de informatie wel bewaard blijft.

De dynamische chips zijn sneller dan de fl ash chips maar wel weer een

stuk duurder en vragen meer stroom. Een ander verschil is dat bij fl ash

chips de toegang serieel gebeurt waardoor altijd een extra fl ash controller

nodig is om de informatie parallel aan de processor aan te bieden.

Type fl ash memory

Er bestaan twee type fl ash memory: NAND en NOR. NOR fl ash wordt

hoofdzakelijk in de consumentenindustrie toegepast, NAND steeds vaker

als component in SSDs voor storage systemen in de enterprise omgeving.

NAND fl ash bestaat in een Single-Level Cell (SLC) en Multi-Levell Cell

(MLC) uitvoering. Van deze twee is SLC sneller en meer betrouwbaar en

heeft een hogere levensduur, MLC echter is weer goedkoper en biedt een

grotere capaciteit. De prestatienadelen, in combinatie met de tienmaal

Case study

Nog niet zo lang geleden behoorde Solid State Disks to de niche producten. De redenen daarvoor waren de hoge aanschafprijs en het beperkte toepassinggebied van SSDs. Als gevolg van twee factoren zijn SSDs de laatste tijd enorm in de belangstelling gekomen.

De opkomst van Solid State Disks

grotere foutfactor, maakt dat MLC minder geschikt is voor enterprise

applicaties; de uitval percentages die door de chipindustrie worden

hanteert zijn 100,000 programmeer/wis of endurance cycles voor SLC

en voor MLC is deze 10,000. SLC wordt op dit moment daarom het

meest toegepast bij SSDs voor enterprise storage. Maar de verhouding

tussen SLD en MLC zou de komende jaren wel eens kunnen veranderen

naarmate fabrikanten van SSDs er in zullen slagen om de controller-

technologie en aanverwante storage management software te verbeteren.

Want, in tegenstelling tot DRAM, is bij de toepassing van fl ash chips in

SSDs een geavanceerde controller nodig die rekening houdt met een

aantal genoemde nadelen van fl ash chips.

Wear-out fl ash chips

Een van de zaken waar een fl ashcontroller rekening moet houden is

het schrijfproces van data naar de fl ash chip. Van te voren moeten

eerst alle bits in een fl ash block (128 tot 256KB groot) worden gewist.

Dit vraagt op termijn zijn tol waardoor de geheugencellen degraderen

en uiteindelijk zullen uitvallen. Beide SLC en MCL fl ash chips maken

wel van geheu-

gencorrectie

algoritmen

gebruik om dit

tijdelijk op te

vangen maar

op termijn zal

de geheugencel

toch uitvallen.

Er zijn gelukkig

allerlei technieken

ontwikkeld die dit

degradatieproces

kunnen uitstellen. Een daarvan is de zogenaamde ‘wear leveling’ waarbij

de fl ash controller in een achtergrondproces het onderliggende fysieke

adres naar de minst beschreven fl ash geheugenchip of geheugenblok-

ken verplaatst. Doordat de controller zelf bijhoudt wanneer geheugen-

cellen gedegenereerd zijn, kan het op een proactieve manier voorkomen

dat chips in een keer uitvallen en er data verminkt wordt. Om de

wear-out gedeeltelijk op te vangen teneinde de levensduur te verlengen

voegen sommige leveranciers van fl ash SSDs extra geheugencapaciteit

toe, tot soms tot wel 20% extra geheugen.

De combinatie van wear leveling en error correction memory (ecc)

technieken hebben er voor gezorgd dat de algemene betrouwbaarheid

van fl ash SSDs de laatste jaren verbeterd is.

IOPS en SSDs

Een vergelijking maken tussen de I/O prestaties van met name fl ash

SSD kan misleidend zijn. Zo verschillen de schrijf- aanmerkelijk met de

leesprestaties. Een vergelijking tussen leesprestaties tussen hard disks

en fl ash SSDs zijn vaak misleidend. Flash SSD hebben vaak betere

toegangstijden maar zijn in algemeen langzamer wat betreft de transfer

rate. Dat betekent dat de bij de evaluatie van SSDs de blockgrootte moet

worden meegenomen. Bij de schrijfprestaties van fl ash SSD ligt de zaak

ingewikkelder. Vanwege de interne structuur van de fl ash chip is het

niet mogelijk om een enkele sector te veranderen. De wijziging moet

worden gecombineerd met een update en compleet wissen van een data

block. Een andere ‘weak spot’ bij veel SSDs treedt op bij gemengde I/O

operaties. In veel ontwerpen is een ‘badkuip’ effect te zien. Benchmarks

laten een bij 50/50 verhouding zien een bodem in de prestatiecurve zien.

Vergelijken we de prestaties van SSDs en HDDs dan is de verwachting

dat hard disk drives nog nauwelijk in IOPs zullen toenemen, die van

SSDs zal de komende jaren uitgroeien tot enkele honderd duizenden

IOPs of meer.

Keuze SSD technologie

Bij de keuze voor een bepaalde SSD technologie is het belangrijk dat de

gebruiker inzicht krijgt in ondermeer de levensduur van de toegepaste

chips en de geleverde prestaties. Vaak worden dezelfde testen onder

dezelfde condities uitgevoerd met SSD als met hard disks. Met name

fl ash-gebaseerde SSDs moeten onder bepaalde condities worden getest,

die niet vergelijkbaar zijn met die van de DRAM SSD en hard disks.

“SSD is interessant in virtuele omgevingen met gededupliceerde images.”

Leveranciers specificeren vaak met de sustained en burst rates van

SSDs, maar zonder de vermelding onder welke testparameters deze tot

stand zijn gekomen moet daar minder waarde aan worden gehecht. De

beste test is natuurlijk om een SSD in de praktijk te testen om te zien of

de verwachte prestaties gehaald worden.

Hybride SSDs

Diverse leveranciers combineren een 3.5” hard disks met een 2.5” SSD

in een bracket. De combinatie moet een prestatieboost opleveren van

maar liefst 70 tot 100%. Het systeem werkt vrij simpel, de HDD kopieert

de meeste data naar de SSD. De laatste wordt gebruikt voor het snel

lezen, terwijl de HDD ondersteunt biedt bij het lezen. Beide kunnen ook

samen worden gebruikt. Een andere toepassing is de combinatie van

MLC en SLC flash geheugen. De filosofie daarachter is om de nadelen

van beide type NAND flash te complementeren met de voordelen. Het

heterogene ontwerp richt zich met name op de plaatsing van de data en

wearleveling techniek. Men claimt dat bij toevoeging van een 256 MB

SLC aan een 20GB MCL flash dat de gemiddelde doorvoer en energie-

verbruik met respectievelijk 17% en 15% verbeterd. De hybride SSD is

slechts 2% duurder dan een puur MLC-flash gebaseerde SSD.

En weer andere toepassing is de combinatie van standaard DDR geheu-

gen met NAND flash op een PCI-E kaart. Een dergelijke hybride drive

is in staat om 300,000+ IOPs te halen. De transfer rate is vanwege de

PCI-E interface beperkt tot slechts enkele honderden MBs.

SSDs en deduplicatie

SSDs kunnen ook worden toegepast bij inline deduplication. Latency,

met name hash table latency, speelt een belangrijke factor in elk

hash-gebaseerd

deduplicatie systeem.

Want, elk I/O naar het

opslagsysteem vraagt

een of meer maal

toegang tot de hash

tabel. Dat betekent

dat elke milli- of

microseconde toe-

gevoegde latency de

prestaties vermindert.

Om de latency te

verminderen kunnen SSDs bij deduplicatie systemen worden toegepast

bij hashing, compressie en encryptie functies.

Toepassingsgebieden SSDs

SSDs worden op verschillende manier in computersystemen en disk

array’s toegepast. Ondermeer als zelfstandige SSDs, als PCIe kaarten, in

een standalone SSD disk array, als frond-end cache systeem, en binnen

een traditionele Fibre Channel disk array ter ondersteuning van een dy-

namische, multi-tier, storage architectuur. Traditioneel werden de DRAM

SSDs ingezet voor hotspots in relationele databases. Veel kritische ap-

plicaties zijn tegenwoordig gebaseerd op relationele databases. Dit wordt

is dan ook nieuw terrein voor de toepassing van (flash) SSDs. Daarnaast

is de virtuele omgeving interessant voor de toepassing van SSDs. Het is

gebleken dat de vele virtuele machines een behoorlijke aanslag zijn op

de I/O capaciteit (en dus de storage array’s) van de server. De inzet van

SSDs kan hier helpen om bijvoorbeeld tijdkritische virtuele disks op een

SSD te plaatsen. Daarnaast zijn er nog talrijke andere gebieden, waaron-

der deduplicatie, backup en disk caching waar SSD nuttig kan zijn.

“SSD dicht het steeds groter wordende gat tussen processoren en disken.”

Proact Netherlands B.V.

+31 35 70 70 525 info@proact.nl www.proact.nl

PROACT is gespecialiseerd in het managen, beveiligen en opslaan van grote hoeveelheden bedrijfskritische informatie.

Als onafhankelijke integrator leveren wij consultancy, services, support en systemen voor storage, back-up en archivering.

De PROACT groep heeft ongeveer 320 gespecialiseerde medewerkers en is vertegenwoordigd in Nederland, Zweden, Denemarken, Finland, Noorwegen en de Baltische Staten.

PROACT is opgericht in 1994 en de moederorganisatie PROACT IT Group AB is sinds 1999 beursgenoteerd aan de Stockholm Stock Exchange onder de code PACT.

Meer informatie over PROACT is te vinden op onze website www.proact.nl