Dysk NVMe: nowy standard przechowywania danych
Do niedawna walka o wydajność serwera toczyła się głównie na polu liczby rdzeni procesora, częstotliwości jego taktowania i pojemności RAM. To głównie tymi parametrami klienci kierowali się przy wyborze optymalnego rozwiązania. Jednak od kilku lat do gry o maksymalizowanie szybkości działania sprzętu dołączają również dyski. Ewolucja na polu pamięci masowych spowodowała, że do wyboru mamy obecnie kilka rozwiązań, a jednym z najciekawszych są nośniki NVMe. W tym artykule omawiamy ich zalety i różnice w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami.
Przez długie lata osoby zarządzające infrastrukturą serwerową bagatelizowały tzw. problem wąskiego gardła. Polegał on na tym, że serwery wyposażone w mocne procesory i wystarczająco dużo RAM nie mogły odpowiednio wydajnie przetwarzać informacji, ponieważ komunikowały się z dyskami, które nie były w stanie dostatecznie szybko przesyłać danych do jednostki obliczeniowej.
Nie ma to aż tak dużego znaczenia w wypadku storage’u obiektowego, gdzie po prostu wyciągamy i wkładamy całe struktury danych. Jednak w wypadku operacji wykonywanych przez system operacyjny lub bazę danych wydajność zapisu i odczytu poszczególnych bloków jest kluczowa i może stanowić o szybkości działania całego rozwiązania. Innymi słowy, wydajność dysku będzie determinowała to, czy nasz RAM i procesor dostaną wystarczająco szybko i dużo danych, by działać z pełną mocą.
Podstawowe parametry wydajności dysków
Dyski są opisywane wieloma parametrami, ale na potrzeby ich wydajności względem innych komponentów serwera używa się najczęściej dwóch:
- Przepustowość dysku – ile danych w ciągu jednej sekundy możemy odczytać lub zapisać na dysku (mierzy się ją najczęściej w MB/s lub GB/s),
- Szybkość dysku – ile operacji zapisu i odczytu możemy wykonać na dysku w ciągu jednej sekundy (mierzy się ją w IOPS).
Dla przykładu, tradycyjny dysk HDD z łączem SATA zapewnia przepustowość na poziomie 100–150 MB/s i szybkość na poziomie 50–80 IOPS. Oznacza to, że w ciągu jednej sekundy procesor może na nim zapisać lub odczytać dane maksymalnie 80 razy, a każda porcja danych będzie miała maksymalnie 1,8 MB (150 MB/s podzielone przez 80 IOPS). Oczywiście, im mniej IOPS wykorzystujemy w danej sekundzie, tym większą porcję danych możemy zapisać – maksymalnie 1 porcję danych o wielkości 150 MB w ciągu sekundy.
Ewolucja dysków
Nie będziemy się wchodzili zbyt głęboko w historię pamięci masowych. Jednymi ze starszych, ale wciąż powszechnie wykorzystywanych urządzeń dyski HDD (Hard Disk Drive). Z powodu ich konstrukcji (głowica odczytująca dane z kręcącego się talerza) sprawia, że wydajność takich napędów jest niska – jak już wcześniej wspomnieliśmy nie przekracza ok. 150 MB/s i 80 IOPS.
Jak łatwo sobie wyobrazić, takie dyski nie nadają się do operacji, które wymagają szybkiego dostępu do bloków informacji, a więc ich zastosowanie zostało zredukowane głównie do zadań związanych z obiektowym zapisem informacji. Napędy HDD sprawdzają się zatem jako rozwiązanie do przechowywania backupów lub innych struktur obiektowych, np. zdjęć. Głównym czynnikiem sprawiającym, że są wciąż w użyciu, jest ich relatywnie niska cena.
Największym skokiem technologicznym ostatnich lat w dziedzinie pamięci masowych są bez wątpienia dyski SSD (Solid State Drive). Zastąpiły one elektromagnetyczne rozwiązania HDD, wprowadzając na rynek technologię półprzewodnikową, dzięki której dane przechowuje się w tzw. komórkach. Dyski SSD zostały pozbawione elementów mechanicznych, a komórki przechowujące dane mogą przyjmować wiele stanów.
Wszystkie te rozwiązania sprawiły, że urządzenia te przyniosły długo wyczekiwany przełom w wydajności, zapewniając przepustowość na poziomie średnio 550 MB/s a szybkość – ok. 5000 IOPS. Dodajmy, że dyski SSD – by zachować kompatybilność z używanym sprzętem – są często wyposażane w port komunikacyjny SATA, co znacząco ogranicza ich możliwości w zastosowaniach profesjonalnych.
Dyski NVMe. Prawdziwa rewolucja
Nie bez powodu wspomnieliśmy w ostatnim akapicie o ograniczeniach portu komunikacyjnego w dyskach SSD. Otóż w pewnym momencie okazało się, że rozwój pamięci masowych ogranicza nie tylko ich wewnętrzna konstrukcja, lecz także sposób ich komunikacji z innymi komponentami serwera. Innymi słowy, dyski SSD zaczęły się rozwijać tak szybko, że pojawiło się nowe wąskie gardło – protokół transmisji SATA (Serial AT Attachment).
I na tym polu również doczekaliśmy się przełomu. Wysłużony protokół SATA został zamieniony na nowszy i oferujący nieporównywalnie większe możliwości protokół PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), tym samym dając zupełnie nowe możliwości dyskom SSD, m.in.:
- Niskie opóźnienia dotyczące poleceń zapisu i odczytu (dyskom NVMe zabiera jedynie ok. 0,03 ms, by zacząć odczytywać lub zapisywać dane po tym, jak dotarło do nich takie polecenie. Dla porównania w HDD jest to 13 ms, a SSD – ok. 0,15 ms),
- Rozbudowane kolejkowanie do 64K zapytań (chodzi o liczbę kolejek oraz zapytań w jednej kolejce, które mogą być wykonywane jednocześnie),
- Paralelny zapis danych (możliwość wykonywania jednocześnie wielu zapisów w komórkach pamięci pochodzących z jednej kolejki).
Dzięki wyposażeniu dysków SSD w nowoczesny interfejs komunikacyjny PCI Express powstały dyski, które dziś nazywamy NVMe. W tym miejscu warto jeszcze rozszyfrować samą nazwę. NVMe to skrót od Non-Volatile Memory Express, co można tłumaczyć jako „nieulotna pamięć typu express”. Oznacza to, że mamy do czynienia z pamięcią, która nie potrzebuje stałego źródła zasilania do tego, by utrzymać zapisane na niej dane, a na dodatek została wyposażona w interfejs komunikacyjny typu PCI Express.
Wydajność dysków NVMe
Zniesienie ograniczeń SATA okazało się strzałem w dziesiątkę. Dyski NVMe biją na głowę we wszystkich testach nie tylko zamierzchłych przodków (HDD), lecz także klasyczne rozwiązania SSD. Rynkowe średniaki osiągają przepustowość na poziomie 3,5 GB/s w odczycie danych i 1,5 GB/s w zapisie, a szybkość kształtuje się na poziomie 50–400 tys. IOPS. Oczywiście modeli dysków NVMe jest na rynku bardzo wiele – w zależności od ceny te parametry będą się różniły, ale chyba każdy widzi, że skok wydajnościowy jest tutaj olbrzymi.
Dodatkowo warto zapoznać się z wynikami naszych laboratoryjnych testów porównujących najczęściej spotykane obecnie na rynku dyski. Wynika z nich, że spadek prędkości operacji na dyskach NVMe jest praktycznie niezauważalny w porównaniu do spadku prędkości na dyskach SSD, a liczba IOPS jest znacznie większa w nośnikach NVMe.
Dla kogo dyski NVMe?
Jak już wcześniej wspomnieliśmy, dyski NVMe sprawdzą się najlepiej w zastosowaniach, które wymagają szybkiej komunikacji między procesorem i bazą danych. Skorzystają z nich więc przede wszystkim właściciele biznesów e-commerce, dostawcy rozwiązań SaaS i wydawcy popularnych serwisów informacyjnych. Ten rodzaj pamięci będzie także zbawienny dla przedsiębiorców, którzy utrzymują systemy analityczne bazujące na ciągłym zapisywaniu i odczytywaniu informacji z hurtowni danych – ERP, CRM i Business Intelligence.
Na koniec warto podkreślić, że różnica w cenie między klasycznymi dyskami SSD a ich wersją NVMe jest stosunkowo nieduża i na pewno nie odzwierciedla skoku, jaki otrzymujemy, jeśli chodzi o wydajność. Biorąc to pod uwagę, dyski NVMe wydają się dziś rozwiązaniem optymalnym pod każdym względem.
Dodatkowe informacje:
Piotr Piaskowski, Business Development Manager, Data Space, piotr.piaskowski@dataspace.pl, tel. 601-150-895
Podobne artykuły
Centrum danych w drodze ku chmurze
Przyszłość branży centrów danych kształtują te same trendy, które obecnie mają największy wpływ na cały rynek IT. Wśród najważniejszych należałoby wymienić środowiska chmurowe, uczenie maszynowe, przetwarzanie na brzegu sieci i technologie kontenerowe.
Data Space – bezpieczna infrastruktura IT w zasięgu ręki
Klienci coraz częściej proszą o profesjonalną pomoc w skonfigurowaniu skrojonego na miarę środowiska centrum danych. Właśnie taką ofertę ma Data Space.
Komercyjne centrum danych – sojusznik czy konkurent?
Z usług zewnętrznych centrów danych w coraz większym stopniu będą korzystać klienci. Integrator, bazując na infrastrukturze operatora, może sam stworzyć dla nich ofertę usług albo uzupełnić jego portfolio o swoje usługi.