Enterprise vs. Client SSD

Eine wachsende Zahl von Rechenzentren, die einen hohen Datendurchsatz und geringe Transaktionslatenz benötigen und bisher auf Festplattenlaufwerke (HDD) in ihren Servern angewiesen waren, sehen sich nun Leistungsengpässen gegenüber. Sie sind auf der Suche nach SSDs (Solid State Drives) als Lösung, die die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit ihrer Rechenzentren steigern und die Gesamtbetriebskosten (OpEx) senken sollen.

Zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen den einzelnen SSD-Klassen müssen wir zwischen den beiden Schlüsselkomponenten einer SSD, dem Flash-Storage-Controller und dem zum Speichern von Daten verwendeten nicht-volatilen NAND-Flashspeicher, unterscheiden.

Auf dem heutigen Markt wird der SSD- und NAND-Flashspeicherkonsum in drei Hauptgruppen unterteilt:

• Endkundengeräte (Tablets, Kameras, Mobiltelefone)
• Client-Systeme (Netbook, Notebook, Ultrabook, AIO, Desktop-PCs), eingebettet/gewerblich (Gaming Kiosk, speziell gebaute Systeme, Digital Signage)
• Enterprise-Computing-Plattformen (HPC, Rechenzentrumsserver).

Die Auswahl des richtigen SSD-Speichergeräts für das Rechenzentrum eines Unternehmens kann ein langwieriger und mühsamer Lernprozess sein, in dem eine Vielzahl unterschiedlicher SSD-Anbieter und Produktarten hinsichtlich der Eignung überprüft werden müssen, da nicht alle SSDs und NAND-Flashspeicher in derselben Art hergestellt werden.

SSDs werden als en einfach zu installierender Ersatz oder zur Ergänzung von HDDs hergestellt und sind in vielen verschiedenen Formfaktoren, einschl. 2,5 Zoll, und mit Kommunikationsprotokollen/Schnittstellen, einschließlich Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) und in jüngster Zeit NVMe PCIe erhältlich, um Daten auf die Zentraleinheit (CPU) eines Servers oder von dieser zu übertragen.

SSDs können zwar leicht installiert werden, was aber nicht garantiert, dass sich alle langfristig für die Anwendungen eignen, für die sie das Unternehmen ausgewählt hat. Wenn SSDs vorzeitig verschleißen, weil sie übermäßig beschrieben wurden, die anhaltende Schreibleistung während ihrer zu erwartenden Lebensdauer wesentlich niedriger ist, oder sie im Speicher-Array zusätzliche Latenzzeit verursachen und deshalb frühzeitig ersetzt werden müssen, können die Kosten für eine falsch ausgewählte SSD oft alle ursprünglichen Kosteneinsparungen und Leistungsvorteile zunichte machen.

Wir besprechen die drei Hauptmerkmale, die eine Enterprise- und eine Client-SSD auszeichnen, um Ihnen bei der richtigen Kaufentscheidung zu helfen, wenn es an der Zeit ist, Speicher für einen Server zu ersetzen oder hinzuzufügen.

Leistung

Durch die Multi-Channel-Architektur und den Parallelzugriff vom SSD-Controller auf die NAND-Flash-Chips können SSDs unglaublich hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten erreichen, sowohl bei sequenziellen als auch bei zufälligen Datenabfragen der CPU.

Das typische Szenario eines Rechenzentrums besteht aus der Verarbeitung von Millionen Bytes zufälliger Firmendaten und bezieht technische CAD-Zeichnungen und seismische Analysedaten (z.B. Big Data) mit ein, oder muss für den weltweiten Zugang von Kunden für Banking-Transaktionen (z.B. OLTP) zur Verfügung stehen. Der Zugang zu den Speichergeräten muss mit niedrigsten Latenzzeiten erfolgen, der auch erfordern kann, dass viele Kunden gleichzeitig Zugang zu denselben Daten haben müssen, ohne dass die Reaktionszeiten dadurch sinken. Die Benutzererfahrung basiert auf niedrigen Latenzen, die die Produktivität der Benutzer erhöhen. Multiplizieren Sie dies mit einem ganzen Mitarbeiterstab, dann lässt sich leicht erkennen, wie sich die Vorteile einer niedrigen Latenz schnell summieren können.

Eine Client-Anwendung betrifft nur einen Benutzer oder eine Anwendung, und die Toleranzgrenze zwischen dem Minimum und dem Maximum der Reaktionszeit (oder Latenzzeit) bei Anwender- oder Systemaktivitäten liegt höher.

Falsch angepasste Leistung kann komplexe SSD-Speicher-Arrays (z. B. Network Attached Storage, Direct Attached Storage oder Storage Area Network) nachteilig beeinflussen und sich verheerend auf die Latenzzeiten des Speicher-Arrays, auf die dauerhafte Leistung und letztendlich auf die Servicequalität, die von Anwendern wahrgenommen wird, auswirken.

Im Gegensatz zu Client SSDs bringen Kingstons SSDs der Enterprise-Klasse nicht nur optimale Spitzenleistung in den ersten Sekunden nach dem Zugriff, sondern können größere, überdimensionierte Bereiche (OP) nutzen und können dadurch eine höhere, stabile Leistung über längere Zeiträume bieten. Weitere Informationen zu den einzelnen Laufwerken finden Sie auf der Kingston Website unter Enterprise SSDs.{{Footnote.N48213}}

Dies garantiert, dass die Leistung des Speicher-Arrays auch bei Spitzenbelastungen ständig der von der Organisation erwarteten Servicequalität (QoS) entspricht.

Zuverlässigkeit

NAND-Flashspeicher sind mit mehreren Problemen behaftet. Zu den beiden wichtigsten gehört die begrenzte Lebenserwartung, da NAND-Flashzellen während des wiederholten Schreibens verschleißen, sowie eine natürlich auftretende Fehlerquote.

Jeder NAND-Flash-Die wird während des Herstellungsprozesses eines NAND-Flashspeichers von Silizium-Wafers getestet und mit einer Bit-Rohfehlerrate (BER oder RBER) gekennzeichnet.

Die BER definiert die Rate, mit der normal auftretende Bitfehler im NAND-Flash ohne Ausgleich durch den Error Correction Code (ECC) vorkommen, und die der SSD Controller mit spontanem Advanced ECC (in der Regel BCH ECC-, Strong ECC- or LDPC-Fehlerkorrektur durch unterschiedliche SSD-Controller-Hersteller genannt) korrigiert, ohne den Anwender- oder Systemzugriff zu unterbrechen.

Die Fähigkeit des SSD Controllers, diese Bitfehler zu korrigieren, kann durch die Uncorrectable Bit Error Ratio (UBER), "eine Metrik für die Datenkorruptionsrate, die der Anzahl der Datenfehler pro Bit entspricht, die nach der Anwendung bestimmter Fehlerkorrekturverfahren gelesen wird", interpretiert werden.{{Footnote.N48213}}

Wie durch die Industry Standards Association JEDEC im Jahre 2010 mit Dokumenten JESD218A: Solid State Drive (SSD) Requirements and Endurance Test Method und JESD219: Solid State Drive (SSD) Endurance Workloads definiert und vereinheitlicht, unterscheidet sich die Enterprise-Klasse in einer Reihe von Möglichkeiten von SSDs der Client-Klasse, einschließlich, aber nicht beschränkt auf ihre Fähigkeit zur Unterstützung höherer Schreibauslastungen, extremerer Umgebungsbedingungen und Wiederherstellung einer höheren BER als ein Client-SSD.{{Footnote.N52081}}{{Footnote.N52082}}

Mit den von JEDEC vorgeschlagenen UBER-Vorgaben für SSDs der Enterprise-Klasse geht man bei einem Vergleich zwischen Enterprise-SSDs und Client-SSDs davon aus, dass bei einem Verhältnis von 1 Bitfehler je 10 Billiarden Bits (~ 1,11 Petabytes) nur 1 nicht behebbarer Bitfehler auftritt, im Gegensatz zu Client-SSDs, bei denen 1 Bitfehler je 1 Billiarde Bits (~ 0,11 Petabytes) verarbeitet wird.

Kingston Enterprise SSDs nutzen auch zusätzliche Technologien, mit denen die Wiederherstellung von beschädigten Datenblöcken mit Paritätsdaten, die in anderen NAND-Dies, gespeichert sind, möglich ist (ähnlich einer RAID-Konfiguration mit SSDs, bei der beschädigte Blöcke oder die ganze SSD mit Hilfe von Paritätsdaten von einer anderen SSD wiederhergestellt werden können).

Als Ergänzung zu den redundanten Datenblockwiederherstellungstechnologien, die in die Kingston Enterprise SSDs eingebaut sind, werden auch die Erstellung periodischer Kontrollpunkte und ein Cyclic Redundancy Check (CRC) als nahtloser interner Schutz implementiert, mit dem die Datenintegrität vom Host über den Flash und zurück zum Host garantiert werden kann. End-to-End-Datenschutz bedeutet, dass die vom Host empfangenen Daten während der Speicherung im internen SSD Cache und beim Schreiben oder Zurücklesen aus den NAND-Speicherbereichen auf ihre Integrität überprüft werden.

Wie SSDs der Unternehmensklasse, die den ECC-Schutz vor Bitfehlern verbessern, können SSDs auch physische Schaltkreise zur Erkennung von Stromausfällen umfassen, die die Stromspeicherkondensatoren auf den SSDs verwalten. Die hardwareseitige Power-Fail-Unterstützung überwacht die Stromzufuhr zur SSD und versorgt bei einem überraschenden Stromausfall die SSD-Schaltkreise mithilfe von Kondensatoren vorübergehend mit Strom, um alle intern oder extern ausgegebenen ausstehenden Schreibvorgänge abzuschließen, bevor die SSDs abgeschaltet werden. PLP-Schaltungen (Power Loss Protection / Schutz gegen Stromausfall) sind in der Regel für Anwendungen erforderlich, bei denen ein Datenverlust nicht wiederherstellbar ist.

Der Schutz gegen Stromausfall kann auch in der SSD-Firmware durch häufiges Entleeren von Daten in den SSD Controller-Cache-Bereichen (z. B. ihre Flash-Translation-Layer-Tabelle) an den NAND-Speicher implementiert werden. Dies gewährleistet zwar nicht, dass während eines Stromausfalls keine Daten verloren gehen, aber dadurch wird versucht, die Auswirkungen von unsicheren Stromabschaltungen zu minimieren. Firmwareseitiger Schutz gegen Stromausfall gewährleistet auch, dass es unwahrscheinlich ist, dass die SSD nach einer unsicheren Abschaltung nicht mehr betriebsfähig ist.

In vielen Situationen kann der Einsatz von Software Defined Storage oder Server-Clustering den Bedarf an hardwarebasiertem Power-Fail-Support senken, da alle Daten auf einem separaten und unabhängigen Speichergerät auf einem anderen Server oder anderen Servern repliziert werden. Web-Rechenzentren verzichten oft auf den Power-Fail-Support und verwenden Software Defined Storage für RAID-Server, um redundante Kopien derselben Daten zu speichern.

Ausdauer

Bei allen NAND-Flashspeichern in Flash-Speichergeräten nimmt die Zuverlässigkeit, Datenbits zu speichern, mit jedem Programm- oder Löschzyklus (P/E) einer NAND-Flashspeicherzelle ab, bis die NAND-Flashblöcke Daten nicht mehr zuverlässig speichern können. An dieser Stelle wird ein verschlechterter oder schwacher Block vom von Anwendern adressierbaren Speicherpool und der logischen Blockadresse (oder LBA) auf eine neue physische Adresse im NAND-Flashspeicher-Array verschoben. Ein neuer Speicherblock ersetzt den schlechten, wobei der Ersatzblock-Pool verwendet wird, der Teil des Over Provisioned (OP) Speichers auf der SSD ist.

Da die Zelle ständig programmiert oder gelöscht wird, nimmt auch die BER linear zu, und aus diesem Grund muss ein komplexer Satz von Managementtechniken auf dem Enterprise-SSD Controller implementiert werden, um die Zellkapazität zu verwalten, damit zuverlässig Daten über die erwartete Lebensdauer der SSD gespeichert werden können.{{Footnote.N52083}}

Die P/E-Lebensdauer eines bestimmten NAND-Flashspeichers kann wesentlich unterschiedlich sein, je nach derzeitigem lithografischem Herstellungsverfahren und nach Typ des hergestellten NAND-Flashes.

Enterprise SSDs unterscheiden sich von Client SSDs auch durch ihren Arbeitszyklus. Eine SSD der Enterprise-Klasse muss in der Lage sein, hohen Lese- oder Schreibbelastungen in Szenarien standzuhalten, die für einen Rechenzentrumsserver typisch sind, der an allen 7 Tagen einer Woche 24 Stunden Zugriff auf die Daten benötigt. Im Vergleich dazu wird eine SSD der Client-Klasse in der Regel nur 8 Stunden pro Tag innerhalb einer Woche voll ausgelastet.

Enterprise SSDs haben einen 24x7-Betriebszyklus im Vergleich zu Client SSDs mit einem 20/80-Betriebszyklus (20 % der Zeit aktiv, 80 % im Leerlauf oder Schlafmodus während der Computernutzung).

Das Verständnis der Schreibausdauer einer Anwendung oder SSD kann sehr komplex sein. Darum hat das JEDEC Komitee eine Metrik zu Lebensdauermessung vorgeschlagen, die den Wert „Terabytes Written“ (TBW) zum Anzeigen der Rohdatenmenge verwendet, die auf eine SSD geschrieben werden kann, bevor die Speicherung auf dem in der SSD befindlichen NAND-Flash unzuverlässig wird und der NAND-Flash entfernt werden sollte.

Die von der JEDEC vorgeschlagenen JESD218A Testmethoden und JESD219 Workloads der Enterprise-Klasse vereinfachen die Aufgabe, die Berechnungen der Lebensdauer von SSD-Herstellern mittels TBW zu interpretieren und eine besser verständliche Messung der Lebensdauer hochzurechnen, die bei Rechenzentren angewendet werden können.

Wie in den Dokumenten JESD218 und JESD219 dargelegt, können verschiedene Anwendungsklassen von Workloads auch durch einen Write Amplification Factor (WAF) beeinträchtigt werden, der um eine Größenordnung höher ist als die tatsächlichen Schreibvorgänge des Hosts. Dies kann leicht zu unkontrollierbarem NAND-Flash-Verschleiß, höherer NAND-Flash-BER durch übermäßige Schreibvorgänge im Verlauf der Zeit und geringerer Leistung durch weit verteilte ungültige Seiten auf der SSD führen.

Obwohl TBW ein wichtiges Thema für die Diskussion zwischen SSDs der Enterprise- und der Client-Klasse ist, ist der TBW-Wert nur ein Modell zur Vorhersage der Lebensdauer auf NAND-Flash-Ebene. Der Wert der „Mean Time Between Failure (MTBF)“ sollte als Modell zur Vorhersage der Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf Komponentenebene dienen, das auf der Zuverlässigkeit der im Gerät verwendeten Komponenten basiert. Von SSD-Komponenten für die Enterprise-Klasse wird auch erwartet, dass sie während der gesamten Lebensdauer der SSD ausdauernd arbeiten und Spannungen besser über alle NAND-Flashspeicher verteilen. Alle Enterprise SSDs sollten einen MTBF-Wert von mindestens zwei Millionen Stunden aufweisen, was über 230 Jahren entspricht! Kingston spezifiziert seine SSDs sehr konservativ und es ist nicht ungewöhnlich, höhere MTBF-Spezifikationen bei SSDs zu sehen. Allerdings ist es wichtig, dabei zu beachten, dass 2 Millionen Stunden ein mehr als ausreichender Ausgangspunkt für Enterprise SSDs sind.

Die S.M.A.R.T.-Überwachungs- und Berichtsfunktionen auf Basis des aktuellen WAFs (Schreibverstärkungsfaktor) und Abnutzungsniveaus bilden einfache Abfragemöglichkeiten in Bezug auf die Lebenserwartung von SSDs der Enterprise-Klasse vor einem Ausfall. Oft werden auch Frühwarnungen vor fehlerhaften Ereignissen wie Energieausfall, von der physischen Schnittstelle ausgehende Bitfehler, oder bei einer ungleichmäßigen Verteilung des Verschleißes unterstützt. Das Dienstprogramm Kingston SSD Manager kann von der Kingston-Website heruntergeladen und zur Anzeige des Laufwerkstatus verwendet werden.

SSDs der Client-Klasse stehen nur die S.M.A.R.T.-Mindestleistungen zur Überwachung der SSD während der standardmäßigen Nutzung oder nach einem Ausfall zur Verfügung.

Je nach Anwendungsklasse und Speicherkapazität einer SSD kann eine erhöhte Reservekapazität des NAND-Flashspeichers als Over-Provisioned (OP) freie Kapazität zugewiesen werden. Die OP-Kapazität ist vor dem Zugriff durch Benutzer und Betriebssystem verborgen. Sie kann während der Nutzungsdauer der SSD zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der SSD als temporärer Schreibpuffer für höhere Dauerleistungen und als Ersatz für defekte Flashspeicherzellen verwendet werden (bei einer großen Anzahl an Ersatzblöcken).