Порівняння індустріальних та клієнтських SSD-накопичувачів

Saat ini, hambatan kinerja dialami oleh makin banyak pusat data yang sebelumnya mengandalkan Drive Hard Disk (HDD) di server mereka dan saat ini membutuhkan laju keluaran data yang tinggi dan latensi transaksi yang rendah. Pusat data tersebut mempertimbangkan Drive Solid-State (SSD) sebagai solusi untuk meningkatkan kinerja, efisiensi, dan keandalan pusat data mereka serta menurunkan keseluruhan biaya operasional (OpEx).

Untuk memahami perbedaan antara kelas SSD, kami membedakan dua komponen utama SSD, yakni Pengontrol Penyimpanan Flash (atau singkatnya disebut Pengontrol SSD) dan memori Flash NAND non-volatil yang digunakan untuk menyimpan data.

Di pasar dewasa ini, penggunaan SSD dan memori Flash NAND dibagi menjadi tiga kelompok utama:

• Perangkat konsumen (Tablet, kamera, dan ponsel seluler),
• Sistem klien (Netbook, notebook, Ultrabook, AIO, komputer pribadi dekstop), tertanam/industri (Kios game, sistem yang dibuat untuk tujuan tertentu, informasi yang disampaikan dengan tampilan digital)
• Platform komputasi perusahaan (HPC, server pusat data).

Pemilihan perangkat penyimpanan SSD yang tepat untuk pusat data perusahaan dapat menjadi proses pembelajaran serta kualifikasi yang panjang dan sulit untuk memilih dari sekian banyak vendor dan jenis produk SSD karena tidak semua SSD dan memori Flash NAND dibuat dengan kualitas yang sama.

SSD diproduksi agar mudah disebarkan sebagai pengganti atau pelengkap HDD. SSD juga tersedia dalam beberapa faktor bentuk, termasuk 2,5", protokol/antarmuka komunikasi yang meliputi Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS), dan yang terbaru adalah NVMe PCIe guna mentransfer data ke dan dari prosesor (CPU - Central Processing Unit) server.

Namun, meskipun mudah disebarkan, tidak ada jaminan bahwa semua SSD akan cocok dalam jangka panjang untuk aplikasi perusahaan yang menjadi faktor penentu pemilihan SSD. Kerugian akibat kesalahan pemilihan SSD sering kali meniadakan manfaat penghematan biaya dan keuntungan kinerja yang diperoleh pada awal penggunaan. Hal tersebut terjadi ketika SSD mengalami keausan dini akibat proses tulis yang berlebihan, mencapai kinerja tulis yang jauh lebih rendah dari yang diharapkan selama masa pakainya, atau menambah latensi dalam susunan penyimpanan sehingga harus diganti lebih awal.

Kami akan membahas tiga kualitas utama yang membedakan SSD kelas enterprise dan klien untuk membantu dalam pengambilan keputusan pembelian yang tepat ketika tiba saatnya untuk mengganti atau menambah penyimpanan pada server.

Kinerja

SSD dapat memberikan kinerja baca dan tulis yang luar biasa tinggi, baik untuk permintaan data secara berurutan maupun acak dari CPU melalui arsitektur multisaluran dan akses paralel dari Pengontrol SSD ke chip Flash NAND.

Dalam skenario khas pusat data yang melibatkan pemrosesan jutaan byte data acak perusahaan, termasuk kolaborasi pada gambar CAD teknis, analisis data seismik (misalnya, Big Data), atau mengakses data pelanggan dari seluruh dunia untuk transaksi perbankan (misalnya, OLTP), perangkat penyimpanan harus dapat diakses dengan latensi terkecil, yang dapat melibatkan banyak klien yang memerlukan akses ke data yang sama secara serentak dengan tanpa penurunan waktu respons. Pengalaman pengguna didasarkan pada latensi rendah yang meningkatkan produktivitas pengguna. Kalikan nilai latensi tersebut dengan seluruh tenaga kerja untuk melihat seberapa cepat manfaat latensi rendah dapat berakumulasi.

Aplikasi klien hanya akan melibatkan pengguna tunggal atau akses aplikasi dengan toleransi selisih yang lebih tinggi antara waktu respons (atau latensi) minimal dan waktu respons maksimal pada setiap aksi pengguna atau sistem.

Susunan penyimpanan yang rumit menggunakan SSD (misalnya, Network Attached Storage, Direct Attached Storage, atau Storage Area Network) juga terpengaruh secara negatif melalui performa yang tidak selaras dan dapat menyebabkan kekacauan pada latensi susunan penyimpanan, performa berkelanjutan dan akhirnya, kualitas layanan yang didapatkan oleh pengguna.

Berbeda dengan SSD klien, SSD kelas enterprise dari Kingston dioptimalkan tidak hanya untuk kinerja puncak dalam beberapa detik awal akses, tetapi berkat penggunaan area penyediaan berlebih (OP - over-provisioned) yang lebih besar, SSD enterprise juga memberikan kestabilan kinerja yang lebih tinggi dan berkelanjutan dalam jangka waktu lebih lama. Informasi selengkapnya tentang drive tertentu terdapat di situs web Kingston di bagian SSD Enterprise.{{Footnote.N48213}}

Hal ini menjamin bahwa kinerja susunan penyimpanan akan tetap konsisten dengan persyaratan Kualitas Layanan (QoS - Quality of Service) yang diharapkan dari organisasi pada saat beban lalu lintas mencapai puncak.

Keandalan

Memori Flash NAND memiliki beberapa masalah inheren yang terkait dengannya. Dua masalah terpenting meliputi terbatasnya harapan masa pakai karena sel Flash NAND mengalami keausan selama proses tulis yang berulang serta tingkat kesalahan yang terjadi secara alami.

Selama proses produksi Flash NAND, setiap potongan cetakan Flash NAND dari wafer silikon diuji dan ditandai dengan Rasio Kesalahan Bit (Bit Error Rate - BER atau RBER) kasar.

BER menetapkan tingkat terjadinya kesalahan bit secara alami pada Flash NAND tanpa bantuan dari Kode Koreksi Kesalahan (ECC) dan yang diperbaiki oleh Pengontrol SSD dengan menggunakan ECC Tingkat Lanjut yang berfungsi seketika atau on-the-fly (biasanya disebut BCH ECC, Strong ECC, atau koreksi kesalahan LDPC oleh berbagai produsen pengontrol SSD) tanpa mengganggu akses pengguna atau sistem.

Kemampuan pengontrol SSD untuk mengoreksi kesalahan bit tersebut dapat ditafsirkan melalui Rasio Kesalahan Bit Tak Terkoreksi (UBER - Uncorrectable Bit Error Ratio), yaitu “metrik tingkat kerusakan data yang sama dengan jumlah kesalahan data per pembacaan bit setelah penerapan metode koreksi kesalahan yang ditentukan”. {{Footnote.N48213}}

Sebagaimana ditetapkan dan distandardisasikan oleh asosiasi standar industri, JEDEC pada 2010 dengan dokumen JESD218A: Persyaratan dan Metode Uji Ketahanan Drive Solid State (SSD) serta JESD219: Beban Kerja Ketahanan Drive Solid State (SSD), SSD kelas enterprise dan kelas klien berbeda dalam berbagai aspek, yang meliputi, tetapi tidak terbatas pada, kemampuannya dalam mendukung beban kerja tulis yang lebih berat, kondisi lingkungan yang lebih ekstrem, serta pemulihan dari BER yang lebih tinggi dibandingkan dengan SSD klien. {{Footnote.N52081}}{{Footnote.N52082}}

Dengan menggunakan persyaratan UBER yang diajukan JEDEC untuk perbandingan antara SSD enterprise dan klien, SSD kelas enterprise diharapkan hanya mengalami kesalahan 1 bit yang tak terpulihkan dengan rasio kesalahan 1 bit untuk setiap 10 kuadriliun bit (~1,11 Petabyte) dibandingkan dengan SSD klien yang rasio kesalahannya 1 bit untuk setiap 1 kuadriliun bit (~0,11 Petabyte) yang diproses.

SSD enterprise Kingston juga akan menambahkan teknologi tambahan yang akan memungkinkan pemulihan blok data yang rusak dengan menggunakan data paritas yang disimpan di cetakan NAND lainnya (seperti penerapan RAID pada drive sehingga pemulihan blok tertentu dapat disusun kembali dengan data paritas yang tersimpan di blok lainnya).

Untuk melengkapi teknologi pemulihan blok data redundan yang dibuat di dalam SSD enterprise Kingston, teknologi lainnya seperti pembuatan titik periksa (checkpoint) berkala, Pemeriksaan Redundansi Siklis (CRC - Cyclic Redundancy Check), dan koreksi kesalahan ECC juga diterapkan dalam skema perlindungan internal Ujung ke Ujung (End-to-End) guna menjamin integritas data dari host melalui flash dan kembali ke host. Perlindungan data Ujung ke Ujung berarti data yang diterima dari host diperiksa integritasnya pada saat disimpan di dalam cache internal SSD dan saat ditulis atau dibaca kembali dari area penyimpanan NAND.

Seperti halnya SSD kelas enterprise yang meningkatkan perlindungan ECC terhadap kesalahan bit, SSD juga dapat memuat sirkuit fisik untuk pendeteksian kehilangan daya yang mengelola kapasitor penyimpanan daya pada SSD. Dukungan Kegagalan Daya pada perangkat keras memantau daya yang masuk ke SSD dan pada saat terjadi kehilangan daya mendadak, sistem ini akan menyediakan daya sementara bagi sirkuit SSD dengan menggunakan kapasitor agar sistem dapat menyelesaikan setiap operasi tulis yang belum diselesaikan, baik yang berasal dari dalam maupun luar, sebelum mematikan daya SSD. Sirkuit Perlindungan Kehilangan Daya (PLP - Power Loss Protection) biasanya diperlukan untuk aplikasi yang tidak dapat memulihkan data yang hilang.

Perlindungan Kehilangan Daya juga dapat diterapkan pada firmware SSD dengan sering memindahkan semua data di area cache pengontrol SSD (misalnya, Tabel Lapisan Translasi Flash) ke penyimpanan NAND. Cara ini tidak menjamin data tidak akan hilang selama proses kehilangan daya, tetapi dapat meminimalkan dampak dari penghentian daya yang tidak aman. Perlindungan Kehilangan Daya Firmware juga memastikan agar SSD lebih tahan terhadap kerusakan setelah mengalami penghentian daya yang tidak aman.

Dalam banyak situasi, penggunaan Penyimpanan yang Ditentukan Perangkat Lunak (Software Defined Storage) atau pengklasteran server dapat mengurangi kebutuhan dukungan Kegagalan Daya berbasis perangkat keras karena semua data telah disalin ke perangkat penyimpanan yang terpisah dan independen di satu atau beberapa server lain. Pusat data berskala web sering kali menghilangkan dukungan Kegagalan Daya dengan menggunakan Penyimpanan yang Ditentukan Perangkat Lunak pada server RAID untuk menyimpan salinan redundan dari data yang sama.

Daya tahan

Semua memori Flash NAND yang berada di dalam perangkat penyimpanan Flash menurunkan kemampuan mereka untuk menyimpan setiap bit data secara andal dengan semua program atau siklus (P/E) penghapusan dari sel memori Flash NAND hingga blok Flash NAND tidak dapat menyimpan data tersebut; pada waktu itu, blok yang menurun atau buruk dihapus dari kumpulan penyimpanan pengguna dan alamat blok logis (atau LBA) dipindah ke alamat fisik yang baru pada susunan penyimpanan Flash NAND. Blok penyimpanan yang baru menggantikan blok yang buruk menggunakan kumpulan Blok Suku Cadang yang merupakan bagian dari penyimpanan Over Provisioned (OP) di SSD.

Seiring dengan diprogram atau dihapusnya sel secara terus-menerus, nilai BER (tingkat kesalahan bit) juga meningkat secara linear sehingga menyebabkan harus diterapkannya serangkaian teknik pengelolaan yang kompleks pada Pengontrol SSD enterprise untuk mengelola kemampuan sel dalam menyimpan data secara andal sepanjang perkiraan masa pakai SSD.{{Footnote.N52083}}

Daya tahan P/E dari memori Flash NAND yang diberikan sangatlah bervariasi, tergantung pada proses produksi litografi dan jenis Flash NAND yang diproduksi.

SSD Enterprise juga akan berbeda dari SSD Klien dalam hal siklus tugas keduanya. SSD kelas enterprise harus dapat bertahan terhadap aktivitas baca atau tulis yang berat dalam skenario penggunaan yang khas pada server pusat data yang memerlukan akses ke data selama 24 jam penuh setiap hari dalam seminggu. Hal ini sangat berbeda dengan SSD kelas Klien yang biasanya hanya digunakan penuh selama 8 jam per hari dalam seminggu.

SSD enterprise memiliki siklus tugas 24 jam x 7 hari dibandingkan dengan SSD klien dengan siklus tugas 20/80 (aktif dalam 20% dari waktu penggunaan komputer, 80% dalam mode diam atau tidur).

Memahami ketahanan tulis dari aplikasi atau SSD dapat menjadi hal yang rumit sehingga menyebabkan komite JEDEC juga mengajukan metrik pengukuran ketahanan dengan menggunakan nilai Terabyte Ditulis (TBW - Terabytes Written) untuk menunjukkan perkiraan jumlah data Host yang dapat ditulis ke SSD sebelum Flash NAND yang terkandung dalam SSD menjadi media penyimpanan yang tidak andal sehingga drive harus dinonaktifkan selamanya.

Dengan menggunakan metode pengujian JESD218A yang diajukan oleh JEDEC dan beban kerja kelas enterprise JESD219, tugas menafsirkan perhitungan ketahanan produsen SSD melalui TBW dan mengekstrapolasi ukuran ketahanan agar lebih mudah dipahami menjadi lebih mudah dilakukan sehingga dapat diterapkan ke setiap pusat data.

Sebagaimana dicatat di dokumen JESD218 dan JESD219, beban kerja kelas aplikasi yang berbeda juga dapat terganggu oleh Faktor Amplifikasi Tulis (WAF - Write Amplification Factor) yang lebih tinggi satu tingkat dibandingkan dengan proses tulis aktual yang dikirim oleh host. Hal ini dapat dengan mudah menyebabkan keausan Flash NAND yang sulit dikelola, nilai BER Flash NAND yang lebih tinggi akibat penulisan berlebihan dari waktu ke waktu, serta melambatnya kinerja akibat menyebar luasnya page yang tidak valid di seluruh SSD.

Meskipun TBW adalah topik penting untuk diskusi perbandingan antara SSD kelas enterprise dan klien, TBW hanyalah model prediksi ketahanan di tingkat Flash NAND. Waktu Rata-Rata Antara Kegagalan (MTBF - Mean Time Between Failure) harus diamati sebagai model prediksi ketahanan dan keandalan di tingkat komponen berdasarkan keandalan komponen yang digunakan pada perangkat. Ekspektasi terhadap komponen SSD kelas enterprise meliputi ketahanan yang lebih lama dan kinerja yang lebih maksimal dalam mengelola tegangan di seluruh memori Flash NAND sepanjang perkiraan masa pakai SSD. Semua SSD enterprise harus terukur setidaknya dua juta jam MTBF, yang setara dengan 230 tahun lebih! Kingston menetapkan spesifikasi SSD produknya dengan sangat konservatif dan tidak jarang ada spesifikasi MTBF yang lebih tinggi pada SSD. Penting untuk diperhatikan bahwa 2 juta jam adalah titik awal yang lebih dari cukup untuk SSD enterprise.

Pemantauan dan pelaporan S.M.A.R.T pada SSD kelas enterprise memungkinkan perangkat dengan mudah diperiksa untuk perkiraan masa pakainya sebelum terjadi kegagalan berdasarkan faktor amplikasi tulis (WAF) dan tingkat keausan terkini. Fitur yang juga sering didukung adalah peringatan prediktif sebelum kegagalan untuk peristiwa kegagalan, seperti kehilangan daya, kesalahan bit yang terjadi akibat antarmuka fisik, atau distribusi keausan yang tidak merata. Utilitas Kingston SSD Manajer dapat diunduh dari situs web Kingston dan digunakan untuk melihat status drive.

SSD kelas klien mungkin hanya berfitur keluaran minimum S.M.A.R.T untuk pemantauan SSD selama penggunaan standar atau setelah kegagalan.

Bergantung pada kelas aplikasi dan kapasitas SSD, peningkatan kapasitas cadangan memori Flash NAND juga dapat dialokasikan sebagai kapasitas cadangan penyediaan berlebih (OP - over-provisioned). Kapasitas OP tersembunyi dari akses pengguna dan sistem operasi. Kapasitas ini dapat dimanfaatkan sebagai buffer tulis sementara untuk kinerja berkelanjutan yang lebih tinggi dan sebagai pengganti sel memori Flash yang cacat selama perkiraan masa pakai SSD untuk meningkatkan keandalan dan ketahanan SSD (dengan jumlah Blok Cadangan yang lebih besar).