Компания Samsung Electronics анонсировала твердотельные накопители серии PM1731a, рассчитанные на использование в оборудовании корпоративного класса. Это первые устройства южнокорейского гиганта, поддерживающие технологию Zoned Namespace (ZNS).

Здесь и ниже изображения Samsung

Samsung PM1731a выполнены в форм-факторе 2,5 дюйма. Поначалу будут предлагаться две модификации — двухпортовые модели вместимостью 2 и 4 Тбайт. В основу решений положена память V-NAND шестого поколения. Отмечается, что накопители подходят для облачных платформ и корпоративных инфраструктур, для которых характерна высокая интенсивность обмена данными.

Массовое производство новинок запланировано на вторую половину текущего года. Компания обещает добавить поддержку своих ZNS-накопителей в xNVMe и SPDK.

Western Digital объявила на своём мероприятии Flash Perspective о партнёрстве с компаний Percona, специализирующейся на доработке и поддержке СУБД с открытым исходным кодом. В рамках партнёрства компании оптимизируют работу MySQL c ZNS-накопителями Ultrastar DC ZN540.

Western Digital уже несколько лет активно продвигает концепцию зонированного хранения, которая подходит как для SMR HDD, так и для SSD. В прошлом году технология Zoned Namespaces (ZNS) стала частью стандарта NVMe 1.4, а её поддержка была добавлена в основную ветку ядра Linux. ZNS-накопители теперь тоже есть, так что дело осталось за малым, то есть за адаптацией системного и прикладного ПО, поскольку при ZNS-накопитель управляется хостом.

Western Digital разработала открытый модуль ZenFS для RocksDB, который позволяет напрямую работать с ZNS-накопителями. Это, в свою очередь, позволяет работать с ними движку MyRocks для MySQL. И Percona Server for MySQL может стать первым заметным коммерческим продуктом, который выиграет от использования SSD c ZNS. Релиз намечен на вторую половину этого года. Percona, как обычно, будет оказывать услуги консалтинга, поддержки, настройки и оптимизации.

Согласно внутренним тестам Western Digital и Percona, при высокой нагрузке на запись использование MyRocks в связке с ZenFS и SSD ZN540 увеличивает скорость транзакций в 3,3 раза по сравнению со стандартным движком InnoDB и SSD Ultrastar DC SN540 и в 1,4 раза — с MyRocks без ZenFS на SN 540. Кроме того, для 95% наиболее быстрых транзакций снижение задержки составило до 6,9 и 1,5 раз соответственно. Для смешанных нагрузок прирост скорости в обоих случаях составил 1,6 раз.

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

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 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

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

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

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

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

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

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)

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.

Привычные за много лет стандарты взаимодействия с блочными устройствами SATA и SAS постепенно уходят в прошлое — они неоптимальны для твердотельных устройств, доля которых в системах хранения данных постоянно растет. На смену им продолжает активно развиваться стандарт NVM Express.

Буквально на днях консорциум, отвечающий за развитие NVMe ратифицировал версию 1.4, анонсированную ещё весной, в марте этого года. Помимо всего, в новую версию протокола официально вошла поддержка зонирования и устройств, его использующих.

Принцип действия устройства хранения данных с зонированием

О накопителях с зонированием мы рассказывали читателям в конце прошлого года. В классических SSD пользовательские приложения не могут управлять процессом записи и чтения данных, за них это делает сам накопитель, но устройства с поддержкой зон это допускают, что в ряде случае позволяет добиться большей гибкости и эффективности при их использовании.

В SSD с зонированием расположением данных может управлять приложение

Компания Western Digital даже разработала специальную файловую систему под названием Zonefs, целиком выстроенную вокруг концепции зонирования данных. В ней накопителям не приходится заниматься лишней работой по перемещению данных при подготовке к записи новых блоков дискового пространства. Централизованное управление также позволяет более полно использовать физический объём NAND-памяти и стабилизировать временные показатели накопителей за счёт лучшей организации QoS.

Реализация поддержки зонирования в Linux

Как уже было сказано, работы по внедрению поддержки зонирования в Linux — самую популярную серверную ОС — начались ещё в 2014 году, и впервые таковая поддержка появилась в версии ядра 4.10. Сейчас компания Western Digital опубликовала пресс-релиз, в котором сообщается о достижении важной вехи: набор стандартов для накопителей и систем хранения данных с зонированием официально ратифицирован консорциумом NVMe и включён в новую ревизию протокола за номером 1.4 Ratified TP.

Пересекающиеся дорожки в жёстких дисках с SMR — частный случай зонирования (запись данных возможна только в определённом порядке)

В этот набор входят наборы команд как для жёстких дисков с черепичной записью (частный случай зонирования), так и для современных твердотельных NVMe-накопителей. Сочетание этих устройств и программного обеспечения в рамках концепции Zone Storage позволит добиться как повышения надёжности систем хранения данных, так и снижения задержек.

Первый пункт очень важен в случае широкого внедрения памяти QLC NAND, физически весьма ограниченной в количестве циклов перезаписи. Кроме того, есть шанс, что в скором будущем мы увидим и жёсткие диски с интерфейсом NVMe.

Поддержка со стороны пользовательской библиотеки упрощает реализацию зонирования (упомянута старая версия, теперь это libzbd)

Компания называет внедрение Zoned Storage в ядро Linux только первым шагом. Ведётся активная работа над адаптацией популярных приложений и инструментария — Ceph, RockDB, Flexible IO Tester и других. Для этой цели выпущена новая пользовательская библиотека libzbd, в деталях о проекте и его статусе можно узнать на посвящённом ему веб-сайте. Также подробности будут оглашены на мероприятии Storage Solutions Meetup Group, которое состоится 21 июля.

Операционные системы семейства Linux, в отличие от Windows, весьма богаты на различные файловые системы — от Ext3/4 и популярной в среде СХД ZFS до такой экзотики, как ReiserFS.

Компанию Western Digital, однако, это не смущает. WD разрабатывает новую файловую систему для Linux.  Проект носит название Zonefs и он не предназначен для конкуренции с Ext4, Btrfs или ZFS.

Новая файловая система предназначена для специальных случаев, и главное её свойство отражено в названии —  это поддержка блочных устройств с зонированием (Zoned Block Devices, ZBD). Каждая зона на таких устройствах в этой системе отображается как отдельный файл.

Zonefs не отвечает стандартам POSIX, так как цель заключается в предоставлении удобного файлового API, заменяющего традиционную схему доступа к блочным устройствам, но, вместе с тем, требующего минимального вмешательства в существующее ПО. Преимущества новой ФС должны оценить разработчики и пользователи СУБД. 

Наличие такого API позволяет использовать различные языки программирования для создания новых модулей, а не только традиционный C. WD давно развивает концепцию зонированных устройств хранения данных, как позволяющих поднять эффективность их использования.  Частным случаем таких устройств являются жёсткие диски с «черепичной» записью (Shingled Magnetic Recording), где каждая зона вмещает несколько частично пересекающихся дорожек с данными.

Если в традиционных накопителях порядок записи может быть произвольным, то в зонированных устройствах запись внутри каждой зоны может осуществляться только последовательно.

Внедрение Zonefs позволит перейти от схемы «параметрами записи оперирует сам накопитель» к централизованному управлению на уровне хоста. Немаловажно это и для твердотельных накопителей, поскольку сам принцип их функционирования подразумевает стирание целого блока NAND-памяти; запись также осуществляется поблочно-последовательно.

Zonefs позволит понизить «коэффициент усиление записи» за счёт того, что SSD не придётся заниматься перемещением данных внутри себя при подготовке к записи новых блоков. За счёт эффективного управления можно будет уменьшить резервное пространство, что позволит использовать физический объём более полно. Улучшится и работа QoS, поскольку на него не будет влиять произвольно включающаяся сборка мусора.

Работы по поддержке зонированных накопителей в Linux были начаты ещё в 2014 году, а первая версия ядра, получившая поддержку соответствующих наборов команд —  4.10. Более подробно о разработке WD можно прочитать в корпоративном блоге, а также на ресурсе ZonedStorage.io.