Western Digital Zoned Storage: технология будущего SSD-накопителей

 
На правах рекламы

Компания Western Digital, один из крупнейших разработчиков и производителей HDD и SSD, делает всё возможное, чтобы накопители нового поколения избавились от «проклятий» унаследованных технологий, став более производительными и удобными как с точки зрения разработчиков ПО и систем хранения данных, так и с точки зрения конечных пользователей.

С технологией накопителей с зонированием данных (Zoned Block Devices, ZBD) Western Digital экспериментирует достаточно давно: ещё в 2019 году мы рассказывали о разработке файловой системы Zonefs, в которой каждая зона на накопителе отображается, как отдельная область. А летом этого года сама концепция зонирования официально стала частью стандарта NVMe.

В обычных SSD данные пишутся без учёта расположения в блоках NAND

В обычных SSD данные пишутся без учёта расположения в блоках NAND

Зонирование имеет ряд преимуществ перед классической реализацией накопителей. Во-первых, параметрами записи можно управлять централизовано, на уровне хост-процессора или даже приложения. Во-вторых, зоны могут иметь разные скоростные характеристики. И, наконец, в-третьих, зонирование уменьшает износ NAND-памяти и при правильной реализации гарантирует отсутствие провалов в скорости, что особенно важно для корпоративных систем хранения данных.

Удаление одного файла требует существенных перемещений данных, что тормозит накопитель и служит причиной повышенного износа NAND

Удаление одного файла требует перемещения данных, что тормозит накопитель и служит причиной повышенного износа NAND

Изначально концепция блочного хранения данных была создана для механических жёстких дисков, где её логика отвечала физическим принципам работы накопителя. С появлением твердотельных накопителей технология была адаптирована и для них — так проще всего оказалось сохранить совместимость. Однако флеш-память работает совсем не так, как магнитная запись: помимо операций записи и чтения она требует ещё и операции стирания блока.

В SSD с зонированием запись данных осуществляется упорядоченно. Нет «усиления записи», не требуется сборка мусора

В SSD с зонированием запись данных осуществляется упорядоченно. Нет «усиления записи», не требуется сборка мусора


Анкета загружается...

Напоминаем, стирание в памяти NAND не может происходить произвольным образом: зачищается весь блок, а если часть хранимых в нём данных всё ещё нужна, их необходимо перед стиранием перенести в другое место. Процесс расчистки места под стирание блоков NAND называется «сборкой мусора». Этот процесс загружает контроллер SSD и нередко приводит к тому, что постоянство скоростных характеристик не обеспечивается. Кроме того, лишние циклы стирания-перезаписи отнюдь не идут флеш-памяти на пользу, и она быстрее изнашивается.

В итоге классический SSD строится с достаточно серьёзным запасом прочности: часть флеш-памяти в нём не используется напрямую, а применяется в качестве «подменного фонда» для замены выходящих из строя ячеек NAND. Объём этого фонда может достигать 20-30% от общего объёма NAND, что, естественно, не способствует снижению стоимости. Солидную часть стоимости современных SSD также составляет DRAM, которая используется для хранения таблиц трансляции и позволяет накопителю более-менее поддерживать постоянство скоростных характеристик.

Переход к концепции зонирования позволяет решить обе вышеописанных проблемы: данные в таких накопителях записываются упорядоченно (в пределах зоны запись осуществляется только последовательно), порядок записи полностью прозрачен, и им можно управлять даже со стороны приложения, а значит, лишних стираний и перезаписей можно избежать. За счёт этого можно сократить подменный фонд NAND-ячеек, а значит, и снизить удельную стоимость хранения данных. Таблицы трансляции также принимают более компактный вид и DRAM-буфер тоже можно сделать меньше.

Благодаря тому, что зонирование лучше соответствует самой технологии NAND, Western Digital удалось добиться впечатляющих результатов: SSD с поддержкой ZNS может обеспечивать коэффициент «усиления записи» (write amplification) на уровне 1x, поскольку ему не требуются лишние операции стирания и перезаписи блоков NAND. Поэтому гарантируется постоянная скорость записи во всём объёме SSD.

Благодаря зонированию скорость записи на накопитель всегда максимальна

Благодаря зонированию скорость записи на накопитель всегда максимальна

Серьёзно улучшается и ситуация со временем отклика: если у обычных SSD оно сильно зависит от соотношения операций чтения к операциям записи, то у зонированного SSD этот параметр остаётся практически постоянным. А в целом латентность удаётся снизить на 57%. Итогом, венчающим проделанную Western Digital работу по внедрению концепции зонирования, стал новейший твердотельный накопитель Ultrastar DC ZN540.

Зонирование позволяет SSD поддерживать постоянную латентность при разных соотношениях чтение/запись

Зонирование позволяет SSD поддерживать постоянную латентность при разных соотношениях чтение/запись

Это первый в мире корпоративный SSD, в котором полностью реализованы все преимущества технологии зонирования. Он полностью отвечает спецификациям ZNS Command Set 1.0 и NVMe 1.3c. В накопителе применён новый высоконадёжный двухпортовый контроллер с внешним интерфейсом PCI Express 3.1. Основой новинки является 96-слойная память 3D NAND TLC. Накопитель выполнен в форм-факторе U.2 и может иметь объём до 8 Тбайт.

Благодаря зонированию новинка идеально подходит для многопользовательских сценариев и сценариев с большими объёмами потоковых данных. Компания говорит о четырёхкратном превосходстве над традиционными SSD в скорости и о 2,5-кратном — в качестве обслуживания (QoS, постоянство скоростных характеристик и латентности). За счёт более эффективного использования ресурсов NAND и DRAM новинка обеспечивает пониженную стоимость владения СХД и более низкую удельную стоимость хранения информации.

Скорость записи у зонированного SSD остаётся постоянной, а время отклика практически не растёт

Скорость записи у зонированного SSD остаётся постоянной, а время отклика практически не растёт

Western Digital опубликовала и результаты тестирования нового накопителя, сравнив его с сопоставимым по характеристикам обычным SSD. Как правило, SSD корпоративного типа проектируются с расчётом на постоянство производительности, но несовпадение принципов работы с данными на уровнях файловой системы и NAND приводят к закономерному результату: с номинальной скоростью удалось записать лишь около 1 Тбайт данных, после чего обычный SSD был вынужден заняться сборкой мусора, а скорость записи резко упала. Зонированный DC ZN540 с задачей справился, вообще не потеряв в скорости.

Если при чтении недостатки традиционного SSD можно компенсировать, то при записи зонированным накопителям нет равных

Если при чтении недостатки традиционного SSD можно компенсировать, то при записи зонированным накопителям нет равных

Аналогичным образом новинка проявила свои преимущества и при увеличении доли операций записи в нагрузке. У классического SSD время отклика выросло практически в два раза, в то время как у зонированной модели оно росло куда медленнее. Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что у зонированных SSD ситуация с предсказуемостью поведения обстоит куда лучше, нежели у классических моделей.

Поставки накопителей Western Digital DC ZN540 начались уже сейчас, правда, пока небольшими партиями. Можно с уверенностью сказать, что компания продолжит развивать данное направление. Особенно в свете роста популярности памяти QLC — внедрение зонирования позволит серьёзно поднять надёжность и производительность таких SSD, что сделает их более пригодными для использования в крупных СХД и облачных комплексах.

Но было бы ошибкой сказать, что зонирование актуально только для твердотельных накопителей. Конечно, в силу особенностей, свойственных NAND-памяти, оно лучше всего показывает себя именно в SSD, но польза есть и для традиционных жёстких дисков.

Технология SMR хорошо согласуется с принципами зонирования

Технология SMR хорошо согласуется с принципами зонирования

Речь идёт о моделях с «черепичной» записью (SMR), где сам принцип пересекающихся дорожек требует последовательной записи, а при стирании удаляется вся зона, а не только одна дорожка. Такие HDD позволяют достичь большой ёмкости при относительно малой цене — модель Ultrastar DC HC650, к примеру, имеет объём 20 Тбайт. Среди первых пользователей таких жёстких дисков можно назвать очень популярное облачное файловое хранилище Dropbox.

Новые накопители WD используют единый программный стек вне зависимости от типа (SSD или HDD/SMR)

Новые накопители WD используют единый программный стек вне зависимости от типа (SSD или HDD/SMR)

Компания продолжает активно участвовать в разработке программного обеспечения, а официальным сайтом проекта по внедрению зонирования по-прежнему остаётся ZonedStorage.io, где можно найти документацию и множество другой информации о зонировании. В частности, доступны сведения о дистрибутивах Linux, уже поддерживающих ZBD.

Если вы хотите получить более подробную информацию о решениях Western Digital, заполните форму выше.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. | Можете написать лучше? Мы всегда рады новым авторам.

Источник:

Постоянный URL: https://servernews.ru/1027876
Поделиться:  
Система Orphus