Kurumsal ve İstemci SSD’ler

Her geçen gün sayıları artan, daha önce sunucularında Sabit Disk Sürücüler (HDD) kullanan, yüksek veri çıkışı ve düşük işlem gecikmesi gerektiren veri merkezleri artık performans darboğazlarıyla karşı karşıya. Veri merkezi performanslarını, verimliliklerini ve güvenilirliklerini artırmanın yanı sıra genel işletme giderlerini (OpEx) düşürmek için bir çözüm olarak Katı Hal Sürücülerini (SSD'ler) değerlendiriyorlar.

SSD sınıfları arasındaki farkları anlamak için SSD'lerin iki önemli özelliğine bakmalıyız: Flash Veri Depolama Denetçisi (SSD denetçisi adı da veriliyor) ve verileri saklamak için kullanılan geçici olmayan NAND flash bellek.

Günümüzün pazarında SSD ve NAND Flash bellek tüketimi üç ana gruba ayrılmaktadır:

• Tüketici cihazları (Tabletler, kameralar, cep telefonları),
• İstemci sistemleri (Netbook, dizüstü bilgisayar, Ultrabook, AIO, masaüstü kişisel bilgisayarlar), gömülü/endüstriyel (Oyun kioskları, özel imalat sistemler, dijital imzalama)
• Kurumsal işlem platformları (HPC, veri merkezi sunucuları).

Kurumsal veri merkezleri için doğru SSD veri depolama cihazının seçilmesi, tüm SSD'ler ve NAND Flash bellekleri eşit üretilmediği için çok sayıda SSD satıcısının ve ürün türünün incelenmesini ve değerlendirilmesini gerekmektedir.

SSD'ler, HDD'lerin yerine ya da bu sürücüleri tamamlayıcı olarak kolayca kullanılacak şekilde üretilirler ve 2,5" dahil olmak üzere birçok farklı form faktörlerinde ve bir sunucunun Merkezi İşlemci Birimiyle (CPU) veri alışverişi için Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) ve son zamanlarda çıkan NVMe PCIe de dahil olmak üzere farklı iletişim protokollerini/arayüzleri kullanacak şekilde gelmektedir.

Ancak kolaylıkla uygulanabiliyor olması, tüm SSD'lerin kullanıldıkları kurumsal uygulama için uzun vadede uygun olmasını garanti etmemektedir. Yanlış SSD'nin kullanılması ve SSD'ler aşırı yazma nedeniyle erken yıprandığında, beklenen kullanım ömrü boyunca daha düşük sürekli yazma performansı verdiğinde ya da veri depolama dizilerinde ek gecikmelere neden olduğunda ve dolayısıyla erkenden değiştirilmeleri gerektiğinde, ilk sağlanan maliyet ve performans avantajlarını kaybetmektedirler.

Bir sunucuya veri depolama alanı eklemek ya da mevcut veri depolama cihazlarını değiştirmek istediğinizde doğru satın alma kararının verilebilmesi için kurumsal ve istemci sınıfı SSD'ler arasındaki farkları yaratan üç ana nitelikten bahsedeceğiz.

Performans

SSD'ler çok kanallı mimarisi ve SSD'nin denetçisinin NAND flash yongalarına paralel erişimi sayesinde CPU'nun hem sıralı hem rastgele veri taleplerinde müthiş yüksek okuma ve yazma performansı sunabilmektedirler.

Teknik CAD çizimlerinde birlikte çalışma, analiz için sismik veriler (örn. Büyük Veriler) ya da bankacılık işlemleri için dünya çapındaki müşteri verilerine erişim (örn. OLTP) dahil olmak üzere milyonlarca bayt rastgele şirket verisinin yer aldığı tipik bir veri merkezi senaryosunda, tepki süresinde herhangi bir bozulma olmadan aynı veri parçasına erişim gerektiren birçok istemcinin var olmasıyla veri depolama cihazlarının mümkün olan en az gecikmeyle erişilebilirlik sağlaması gerekmektedir. Kullanıcı deneyimi, kullanıcının verimliliğini arttıran düşük gecikme süresini temel almaktadır. Bunu tüm iş gücüne yaydığınızda, düşük gecikme süresinin avantajlarının nasıl hızla artabileceğini görebilirsiniz.

Bir istemci uygulaması, herhangi bir kullanıcı ya da sistem işleminde minimum ve maksimum tepki süresi (ya da gecikme) arasında daha yüksek bir toleransa sahip bir tek kullanıcı ya da uygulama erişimi içerecektir.

SSD'lerin kullanıldığı karmaşık veri depolama dizeleri (örn. Ağa Bağlı Veri Depolama, Doğrudan Bağlı Veri Depolama ya da Veri Depolama Alanı) da performansların düşüklüğünden olumsuz yönde etkilenir ve veri dizesi gecikmesi, sürekli performans ve sonuç olarak kullanıcı tarafından algılanan hizmet kalitesinde sorunlara neden olabilir.

İstemci SSD'lerinin aksine, Kingston kurumsal sınıf SSD'ler, ilk birkaç saniyelik erişim içinde en üst performansı sağlamanın yanı sıra, büyük fazla-sağlanmış (over-provisioned OP) alan kullanılması sayesinde aynı zamanda daha uzun sürelerde daha yüksek sürekli sabit performans da sağlarlar. Belirli sürücülerle ilgili daha fazla bilgiye Kingston web sitesinin Kurumsal SSD'ler kısmından ulaşılabilir{{Footnote.N48213}}.

Bu durum, veri depolama dizesi performansının, yüksek veri trafiği yükü sırasında kurumların istedikleri Hizmet Kalitesi (QoS) ile tutarlı olmasını garanti eder.

Güvenilirlik

NAND flash belleklerle ilişkili çeşitli yapısal sorunlar vardır. Tekrar eden yazmalarda NAND Flash hücrelerinin kullanım ömrü beklentisinin sınırlı olması ve doğal olarak meydana gelen hata oranı bunlardan en önemli iki tanesidir.

NAND Flash'ların üretimi sırasında silikon yonga plakasından kesilen her NAND Flash kalıbı, test edilir ve ham Bit Hata Oranı (BER - Bit Error Rate ya da RBER) ile sınıflandırılır.

BER, Error Correction Code (ECC) olmadan ve SSD Denetçisinin kullanıcıyı ya da sistem erişimini kesintiye uğratmadan Advanced ECC (farklı SSD denetçisi üreticileri tarafından BCH ECC, Strong ECC ya da LDPC hata düzeltmesi olarak adlandırılır) ile hataları yaşandığı sırada düzeltilen, NAND Flash'ta doğal olarak meydana gelen bit hatalarının oranını temsil eder.

SSD denetleyicisinin bu bit hatalarını düzeltme yeteneği, "her türlü belirtilen hata düzeltme yöntemini uyguladıktan sonra bit başına veri hatası sayısına eşit veri bozulma oranı için bir ölçüm" olan Düzeltilemez Bit Hatası Oranı (UBER - Uncorrectable Bit Error Ratio ) olarak yorumlanabilir. {{Footnote.N48213}}

2010 yılında JESD218A: Katı Hal Sürücüsü (SSD) Gereksinimleri ve Dayanıklılık Testi Yöntemi ve JESD219: Katı Hal Sürücüsü (SSD) Dayanıklılık İş Yükleri belgesi ile endüstri standartları birliği JEDEC Komitesi tarafından tanımlanan ve standartlaştırılan kurumsal sınıf SSD'ler, istemci sınıfı SSD'lere göre daha yüksek yazma iş yüklerini, daha zorlu çevresel koşulları destekleyebilmeleri ve bir istemci SSD'sine göre daha yüksek BER'den kurtulabilmeleri dahil olmak ama bunlarla sınırlı olmamak üzere çeşitli şekillerde farklılık gösterirler. {{Footnote.N52081}}{{Footnote.N52082}}

Kurumsal SSD'ler ile istemci SSD'ler arasında JEDEC tarafından önerilen UBER gereksinimleri kullanıldığında, kurumsal sınıf bir SSD'nin 10 kuadrilyon bit için (~1,11 Petabayt) 1 oranında 1 kurtarılamaz bit hatası yaşaması beklenirken, istemci SSD'lerinde bu değer her 1 kuadrilyon bit (~0,11 Petabayt) için 1 bit hatasıdır.

Kingston'ın kurumsal SSD'leri, diğer NAND kalıplarında saklanan parite verilerini kullanılarak bozulan veri bloklarının düzeltilmesine imkan sağlayan ek teknolojilere de sahiptir (RAID sürücülere benzeyen bu sistem, diğer bloklarda saklanan parite verileri ile tekrar oluşturulabilecek belirli blokların kurtarılmasını sağlar).

Kingston kurumsal SSD'lerde bulunan yedekli veri bloğu kurtarma teknolojilerini tamamlamak için Baştan-Sona dahili koruma programında ana makineden flash'a ve buradan yeniden ana makineye giderken verilerin sağlamlığını garanti edecek düzenli kontrol noktası oluşturma, Cyclic Redundancy Check (CRC) ve ECC hata düzeltmesi sistemleri de kullanılmaktadır. Baştan-sona veri koruması, ana makineden alınan verilerin SSD'nin dahili ön belleğine gönderilirken ve NAND veri saklama alanlarına yazılırken ya da buradan okunurken kontrol edilmesi anlamına gelmektedir.

Bit hatalarına karşı ECC korumasını geliştiren kurumsal sınıf SSD'lere benzer şekilde SSD'ler de aynı zamanda SSD'lerdeki elektrik kesintisi kapasitörlerini yöneten bir elektrik kesintisi algılama fiziksel devresi de yer alabilir. Donanımsal Elektrik Kesintisi desteği, SSD'ye gelen elektriği izler ve beklenmeyen bir güç kesintisi durumunda, SSD'yi kapatmadan önce dahili ya da harici olarak gönderilmiş bekleyen yazmaları tamamlamak için kapasitörlerle SSD devresine geçici güç sağlar. Elektrik Kesintisi Koruma (PLP) devresi genellikle veri kaybının kurtarılamaz olduğu uygulamalar için gereklidir.

Elektrik Kesintisi Koruması aynı zamanda SSD denetleyicisinin ön bellek alanlarındaki (ör. Flash Translation Layer Tablosunda) verilerin sık sık NAND veri alanına aktarılmasıyla SSD yazılımı (firmware) tarafından da uygulanabilir - bu durum elektrik kesintisi durumunda hiçbir veri kaybı olmayacağını garanti etmez ancak güvensiz elektrik kesintilerinin etkisini en aza indirir. Yazılım (Firmware) Elektrik Kesintisi Koruması aynı zamanda SSD'nin güvensiz bir elektrik kesintisi sonrasında kullanılmaz duruma gelme olasılığını azaltır.

Birçok durumda Yazılımsal Olarak Tanımlanan Veri Saklama ya da sunucu kümelemesi, veriler farklı sunucu ya da sunuculardaki ayrı ve bağımsız veri saklama cihazlarına aynen yazıldığından donanım tabalı Elektrik Kesintisi desteği gereksinimini azaltabilir. Web ölçekli veri merkezleri genellikle aynı verinin yedek kopyalarını saklamak için RAID sunucularla Yazılımsal Olarak Tanımlanan Veri Saklamasını kullanarak Elektrik Kesintisi desteği gereksinimini ortadan kaldırmaktadır.

Dayanıklılık

Flash veri depolama aygıtlarında bulunan tüm NAND flash bellekler, bir NAND Flash bellek hücresinin her program ya da silme (P/E) döngüsünde NAND Flash blokları artık güvenilir biçimde veri saklayamayacak duruma gelene kadar veri bitlerini güvenilir biçimde saklama yeteneklerini kaybetmeye başlarlar. Bu noktada kalitesi düşen ya da bozuk bloğun kullanıcı tarafından adreslenebilir havuzdan çıkartılması ve mantıksal blok adresin (ya da LBA) NAND Flash veri depolama dizesinde yeni bir fiziksel adrese hareket ettirilmesi gerekir. Bozuk bloğun yerini SSD'deki Aşırı Tahsis (OP) veri saklamasının bir parçası olan Yedek Blok havuzundan yeni veri saklama bloğu alır.

Hücre sürekli olarak programlandığında ya da silindiğinde BER de doğrusal olarak artar ve bu nedenle, kurumsal SSD Denetleyicisinde, SSD'nin tahmini kullanım ömrü boyunca güvenilir biçimde veri saklama yeteneğini yönetmek için daha karmaşık yönetim tekniklerinin yer alması gerekmektedir.{{Footnote.N52083}}

Belirli bir NAND Flash belleğin P/E dayanıklılığı, üretilen NAND Flash'ın geçerli litografi üretim sürecine ve türüne bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterebilir.

Kurumsal SSD'ler görev döngüsü ile de İstemci SSD'lerden farklıdır. Bir kurumsal sınıf SSD haftanın her günü, 24 saatin tamamı boyunca verilere erişim gerektiren bir veri merkezi sunucusu için tipik senaryolardaki ağır okuma ya da yazma etkinliğine dayanabilmelidir. Bunu, genellikle bir hafta içinde günde yalnızca 8 saat tam olarak kullanılan İstemci sınıfı bir SSD ile karşılaştırın.

Kurumsal SSD'ler, istemci SSD'lerin 20/80 görev döngüsüne kıyasla (bilgisayarın kullanımı sırasında sürenin %20'si aktif, %80'i boşta ya da uyku modunda) 24x7 görev döngüsüne sahiptir.

Herhangi bir uygulamanın ya da SSD'nin yazma dayanıklılığını anlamak karmaşık olabileceğinden JEDEC komitesi, SSD'nin içindeki NAND Flash güvenilir olmayan bir ortam haline gelene ve sürücünün artık kullanımdan kaldırılması gerekene kadar SSD'ye yazılabilecek ham Ana Makine veri miktarını belirtmek için Yazılan Terabayt (TBW - Terabytes Written) birimini kullanan bir dayanıklılık ölçümü önermiştir.

JEDEC tarafından önerilen JESD218A test yöntemleri ve JESD219 kurumsal sınıf iş yükleri kullanılarak, bir SSD üreticisinin, TBW değerini kullanarak dayanıklılık hesaplamalarını yorumlaması ve herhangi bir veri merkezi için uygulanabilecek daha anlaşılır bir dayanıklılık ölçümü belirlemesi kolay bir iş halini almaktadır.

JESD218 ve JESD219 belgelerinde belirtilen şekilde farklı uygulama sınıfı iş yükleri, ana makine tarafından gönderilen yazma döngüsünden çok daha büyük mertebede bir Yazma Yükseltme Faktörüne (WAF - write amplification factor) sahip olabilir. Bu durum yönetilemeyecek NAND Flash yıpranmasına, zaman içinde aşırı yazma nedeniyle yüksek NAND Flash BER değerine ve SSD'de geniş biçimde dağıtılan geçersiz sayfalardan dolayı düşük performansa neden olabilir.

TBW, kurumsal ve istemci sınıfı SSD'ler arasında tartışılması gereken önemli bir husus olmasına karşın yalnızca bir NAND Flash seviyesi dayanıklılık tahmin yöntemidir. Cihazda kullanılan bileşenlerin güvenilirliğini temel alan bileşen seviyesi dayanıklılık ve güvenilirlik tahmin modeli olarak Arızalar Arası Ortalama Süre (Mean Time Between Failure - MTBF) kullanılmalıdır. Kurumsal sınıf SSD bileşenlerinden beklentiler arasında SSD'nin kullanım ömrü beklentisi boyunca tüm NAND Flash belleğindeki voltajların yönetilmesinde dayanıklılık ve daha sıkı çalışma gösterilebilir. Tüm kurumsal SSD'lerin en az iki milyon saat yani 230 yılı aşkın bir MTFB değerine sahip olması gerekir! Kingston, SSD'lerinin özelliklerini çok koruyucu biçimde vermektedir ve SSD'lerde daha yüksek MTBF değerlerinin görülmesi şaşırtıcı olmayacaktır. Ayrıca 2 milyon saatin, kurumsal SSD'ler için yeterli bir başlangıç noktası olduğunu belirtmek önemlidir.

Kurumsal sınıf SSD'ler üzerindeki S.M.A.R.T. izleme ve raporlama, geçerli yazma yükseltme faktörüne (WAF) ve aşınma seviyesine göre kullanım ömründe erken arızalar için cihazın kolayca değerlendirilmesini sağlar. Güç kesintisi, fiziksel arayüzden kaynaklanan bit hataları ya da eşit olmayan yıpranma dağılımı gibi arızalar için erken arıza tahmin uyarıları da desteklenmektedir. Kingston SSD Manager uygulaması, Kingston web sitesinden indirilebilir ve sürücünün durumunu görüntülemek için kullanılır.

İstemci sınıfı SSD'lerde yalnızca standart kullanım ya da arıza sonrası izleme için minimum S.M.A.R.T. bilgi çıkışı yer alabilir.

SSD'nin uygulama sınıfına ve kapasitesine göre, fazla-sağlanmış (over-provisioned OP) kapasite olarak NAND Flash bellekte daha yüksek bir yedek kapasite ayrılmış olabilir. OP kapasitesi kullanıcıdan ve işletim sistemi erişiminden gizlenir. Yüksek sürekli performans için geçici yazma tamponu olarak ve SSD'nin güvenilirliğini ve dayanıklılığını arttırmak için SSD'nin kullanım ömrü beklentisi sırasında hatalı Flash bellek hücrelerinin yerini almak üzere kullanılabilir (daha fazla sayıda Yedek Blok ile).