傳輸頻寬與每秒I/O處理數量(IOPS),是衡量儲存設備效能的兩大基準。對於多數企業資料中心來說,除了高效能運算、影音服務或備份等應用更看重傳輸頻寬外,主要的核心應用如資料庫、郵件伺服器等,則更加要求IOPS,特別是隨機存取時的IOPS效能。

過去要取得高隨機IOPS性能並非易事,典型作法有兩種,一是採用傳統機械式硬碟,另一是採用固態儲存裝置。

受限於機械旋轉機構相對緩慢的搜尋時間,傳統機械式硬碟的隨機IOPS存取效能並不高,1臺1.5萬轉SAS硬碟的隨機存取效能大約只有175~180 IOPS,7200轉SATA硬碟則只有30~80 IOPS左右,但可利用多達數百臺甚至上千臺硬碟組成陣列,透過分散平行存取陣列中的大量硬碟,藉以得到足夠的隨機IOPS效能。另外還能搭配一些特殊的存取方式,如將資料放在硬碟最快速的碟片外圈,以減少搜尋時間,進一步提高IOPS。

藉由匯聚大量硬碟的方式,雖然能夠得到很高的IOPS效能,但連帶也會產生很大的副作用。有高隨機IOPS效能需求的應用程式,需要的是效能,容量要求通常不大,因此這種聚集大量硬碟的作法,往往會造成很大的容量浪費,並耗費很大的機房空間與電力。有時僅僅是為了滿足一套資料庫的隨機IOPS需求,就需耗費占用一或多個機櫃的上百臺硬碟,但應用程式實際上卻只占用其中數十或數百GB容量,每臺硬碟只使用一小部分容量而已。

因此有些用戶便會轉而選擇使用固態儲存設備,來因應高隨機IOPS效能需求的應用程式。

DRAM-based的固態儲存設備
在個人電腦領域,很早就有將多餘的DRAM規劃為RAM-Disk,藉以加速某些應用程式存取的做法。事實上,這種以DRAM作為儲存媒體、加速存取的做法並不僅止於個人電腦領域,為了滿足高隨機IOPS需求,很早就有廠商推出純粹採用DRAM為儲存媒體的企業級純固態儲存設備。

從硬碟到外接式磁碟陣列,絕大多數儲存裝置都會含有一定容量的DRAM來作為存取緩衝區或快取記憶體,藉以提高存取速度。不過我們這裡所說的「DRAM-based固態儲存設備」並不是指這類緩衝或快取用途,而是指以DRAM取代硬碟來儲存資料、純粹由DRAM構成儲存媒體的外接式「純」固態儲存設備。

DRAM的存取回應速度,要比最快的機械式硬碟快數千倍以上,一瞬間便能回應與處理極大量的I/O存取要求,能輕易提供極高的隨機IOPS效能。一臺2~4U機箱的純DRAM式儲存設備,就能比數個機櫃傳統硬碟擁有更高的隨機存取I/O效能。

一般來說,即使採用最快的1.5萬轉機械式硬碟,至少也得匯聚500、600臺以上硬碟,才能提供10萬IOPS等級的隨機存取效能,但這樣連帶也會耗用數個機櫃的空間與龐大的電力。但若換成DRAM式儲存設備,只要一臺2~4U機箱就可提供同等級的隨機IOPS效能。若以取得足夠的高IOPS效能為基準,DRAM-based固態儲存的整體成本將會低於傳統硬碟式設備。

DRAM-based設備雖然擁有較佳的單位隨機存取效能成本,但若以單位容量成本來衡量,便遠高於硬碟(相差超過百倍)。一個機箱的DRAM式儲存設備的建置成本,可能還超過一整機櫃的傳統硬碟式儲存設備,加上儲存密度相當低,因而限制了DRAM式儲存設備所能提供的容量——一臺2~4U機箱的DRAM式儲存設備,典型的最大容量只有128GB~512GB左右,目前這類產品單一機箱能達到的最大容量不過2TB左右,即使採用多機箱串接擴充為一個機櫃,目前最大容量的產品如Kaminario的K2-D也只有12TB容量——只相當於3臺4TB的3.5吋傳統硬碟,而且極為昂貴(報價超過100萬美元)。

此外,DRAM是一種只要沒有供電、就無法保存資料的揮發性儲存媒體,因此以DRAM為基礎的儲存設備,必須擁有完善的供電與備份、備援設計,以因應外部電源中斷的事故。對於企業級DRAM式固態儲存設備產品來說,內建大容量電池是不可或缺的配備,還須內建備援用的硬碟或Flash記憶體,以便在斷電時維持電力供應,並將DRAM中的資料轉到硬碟或Flash記憶體中保存。然而這些機制雖然能改善資料存取的可靠性,但也進一步增加了產品的複雜性與成本。

總的來說,受限於高昂的成本與有限的容量,讓DRAM-based固態儲存設備成為一種應用面向非常狹窄的產品,目前只有TMS、Kaminario、Vion等少數供應商仍繼續提供這類產品,當NAND Flash記憶體出現後,便讓固態儲存設備有了與前不同的新發展。

從DRAM到Flash記憶體—固態儲存的世代交替
NAND Flash記憶體的速度儘管遠比不上DRAM,但仍比機械式硬碟快了數十倍,而且單位容量成本只有DRAM的1/10左右,是一種成本相對較低、且為非揮發性的固態儲存媒體,在運用上比DRAM方便許多。

在2007~2008年左右,當時業界還存在著DRAM式固態儲存或NAND Flash式固態儲存何者為優的爭論,不過隨著NAND Flash記憶體在速度、容量與成本方面的迅速改進,今日NAND Flash記憶體已經取代了DRAM,成為純固態式磁碟裝置的主要型式,包括針對高隨機IOPS應用需求的外接式純固態儲存設備領域。

一開始是由一些規模較小的廠商領頭,如Violin、TMS(Texas Memory Systems)、Nimbus Data、Kaminario等,推出了以NAND Flash記憶體為基礎的純固態磁碟陣列。後來一些大廠如EMC,也為旗下部分產品提供了NAND Flash SSD的選項,如果用戶為這些產品選擇了全SSD的配置,也就形同於一種全固態儲存設備。

比起DRAM式的固態儲存設備,NAND Flash式固態儲存設備由於單位容量成本較低、儲存密度也較大,所能提供的儲存容量也大了許多。一臺2~4U機箱的Flash式儲存設備,最大容量可達到10TB~30TB以上,遠大於同尺寸的DRAM式固態儲存設備,透過串接多組機箱,還能達到數百TB等級的容量。

在效能方面,雖然NAND Flash記憶體晶片的存取速度遠低於DRAM,但只要採用妥善的設計,如底層的SSD裝置上控制器與NAND Flash晶片間的多通道、Stripe存取等技術,以及在儲存設備層級採用高速處理器與高速匯流排,Flash式純固態儲存設備也能提供從數十萬IOPS等級起跳、最高超過百萬IOPS等級的隨機存取效能,整體效能並不遜於以前的DRAM式固態儲存設備。


 

相關報導請參考「純固態儲存設備的兩種選擇:DRAM 與 Flash-based」


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