13 авг. 2014 г.

Обзор SSD Toshiba HK3R

SSD корпоративного класса Toshiba HK3R предназначены для использования в серверах с высокими требованиями к производительности дисковой подсистемы с преимущественной нагрузкой на чтение.

В настоящее время Toshiba выпускает четыре линейки корпоративных SSD:
  • на базе MLC: PX03SN с интерфейсом SAS и H3KR c интерфейсом SATA
  • на базе eMLC: PX02SM и более производительные PX02SS
Участвующий в обзоре диск принадлежит к младшей линейке на базе 19нм MLC NAND, имеет ёмкость 480ГБ (существуют варианты на 120ГБ и 240ГБ) и ресурс в 880ТБ записи. Полное обозначение SSD серии HK3R — THNSNJxxxPCS3, где xxx соответствует объему в ГБ.

Заявленные характеристики

  • Емкость: 120ГБ (THNSNJ120PCS3), 240ГБ (THNSNJ240PCS3), 480ГБ (THNSNJ480PCS3)
  • Форм-фактор: 2,5", высота 7мм
  • Тип памяти: 19нм MLC NAND
  • Интерфейс: SATA 6Gb/s (SATA III)
  • Ресурс на запись
    • 120ГБ: 220ТБ
    • 240ГБ: 440ТБ
    • 480ГБ: 880ТБ
  • Последовательное чтение/запись: 500/270 МиБ/с
  • Случайное чтение/запись 4K: 8500/10000 IOPS (для THNSNJ120PCS3) и 12000 IOPS (THNSNJ240PCS3, THNSNJ480PCS3)
  • Потребляемая мощность: 1 Вт
  • Рабочая температура: 0°C – +55°C
  • Вес: 60 г

Зачем нужны SSD корпоративного класса на базе MLC NAND

Многие заказчики интересуются, зачем вообще нужно использовать SSD корпоративного класса с обычными MLC ячейками. Действительно, в отличие от eMLC, мы не получаем ни высокой производительности на запись, ни ресурса, позволяющего без опасений долгое время использовать такие SSD под высокой нагрузкой на запись. Почему бы не использовать обычные бытовые SSD?
Причина номер один — защита по питанию. Контроллер SSD использует обычную DRAM как для кэширования записываемых хостом данных (или перемещаемых при сборке мусора), так и для хранения таблицы трансляции (в зависимости от производителя — management table или translation table. В таблице хранится соответствие между логической нумерацией блоков, которая показывается хосту, и реальным размещением данных. Аварийное выключение питания приводит к тому, что часть данных, ещё не записанных в энергонезависимую NAND-память, будет потеряна. Ситуация аналогична использованию кэша на запись (режим write-back) в RAID-контроллере без обеспечения его защиты. Естественно, для серверного применения SSD без защиты кэша не подходят.
Помимо традиционного способа обеспечения резервного питания (массив обычных электролитических конденсаторов или суперконденсаторов) в SSD Toshiba применяются дополнительные алгоритмы для защиты пользовательских данных и таблицы трансляции.
Технология Toshiba Power Loss Protection (PLP) — обычная схема, которая отвечает за обнаружение проблем с питанием, при необходимости переключает SSD на суперконденсаторы, отдавая контроллеру команду на сброс содержимого кэша на NAND.
Технология Toshiba Power Failure Management (PFM) реализована на уровне микрокода контроллера и реализует ряд дополнительных мер защиты от потери данных:
  • Обеспечивается хранение двух копий таблицы трансляции в разных страницах NAND.
  • Для запись обновлений происходит поочерёдно в разные копии.
  • При повреждении таблицы используется вторая копия.
  • Данные сохраняются на флеш при получении от хоста стандартной ATA-команды FLUSH_CACHE или во время простоя SSD.
  • Стандартная технология выравниявания нагрузки: каждая операция записи всегда осуществляется в другую страницу NAND даже при записи в тот же логический блок. При повреждении данных из-за аварийного отлючения питания всегда остается предыдущее состояние блока по старому адресу.
Методы, используемые в PFM, помогают снизить риск потери данных, но полная защита осуществляется только при наличии схемы резервного питания (PLP). Все SSD корпоративного класса Toshiba имеют поддержку и PLP и PFM в отличие от обычных бытовых SSD HG5d и HG6.
Причина номер два — предсказуемые ресурс и производительность. Корпоративные SSD на базе MLC имеют ресурс на 1-2 порядка меньше старших собратьев с eMLC, но в отличие от бытовых SSD он указывается в характеристиках, так что вы можете оценить применимость SSD для конкретной нагрузки. В производительности на запись MLC тоже уступает eMLC/SLC, но благодаря использованию оптимизированного для случайного доступа небольшими блоками контроллера (и/или его прошивки) в корпоративных MLC SSD вы получаете пусть сравнительно небольшую (5-10 тыс. IOPS против 30-80 тыс.), но стабильную производительность на запись, без внезапных колебаний значения задержки до нескольких сотен миллисекунд.
Причина номер три — совместимость с аппаратными RAID контроллерами. Причина "выпадения" бытовых SSD из массива на аппаратных RAID контроллерах та же, что и с обычными HDD — неконтролируемое время доступа. В HDD это происходит при слишком долгих попытках исправить ошибку чтения или записи, в SSD — дополнительные задержки, вносимые процессом сборки мусора (поиск и организация блоков с невалидными данными) при заполнении SSD.
SSD Toshiba HK3R тестировались инженерами LSI и Adaptec by PMC и присутствуют в списках совместимости с современными контроллерами.

Условия тестирования

Используется та же методика, что и для предыдущего обзора SSD OCZ Intrepid 3800 с добавлением нескольких тестов, используемых известным ресурсом StorageReview:
  1. тест насыщения (360 минут) для записи 4K
  2. тест насыщения для нагрузки чтение+запись 70/30 блоками 8K
  3. замеры IOPS и задержек при разных значениях глубины очереди и количества потоков с нагрузкой чтение+запись 70/30 блоками 8K
Мы тестируем SSD в нашей лаборатории в полном соответствии со спецификацией SNIA Solid State Storage Performance Test Specification Enterprise v1.1. Данная спецификация описывает алгоритмы различных тестов и формат отчетов. Для данной статьи вместо полного PDF-отчета в формате, описанном спецификацией, были выбраны только графики окончательных результатов по первым четырем тестам:
  1. IOPS Test. Измеряется количество IOPS'ов (операций ввода-вывода в секунду) для блоков различного размера (1024КиБ, 128КиБ, 64КиБ, 32КиБ, 16КиБ, 8КиБ, 4КиБ, 0.5КиБ) и случайного доступа с различным соотношением чтение/запись (100/0, 95/5, 65/35, 50/50, 35/65, 5/95, 0/100).
  2. Throughput Test. Тестируется пропускная способность при последовательном доступе: чтение и запись блоками 1МиБ и 128КиБ.
  3. Latency Test. Измеряется значение средней и максимальной задержки для различных размеров блока (8КиБ, 4КиБ, 0.5КиБ) и соотношений чтение/запись (100/0, 65/35, 0/100) при минимальной глубине очереди (1 поток с QD=1).
  4. Write Saturation Test. Тестируется изменение производительности (IOPS и задержка) при непрерывной нагрузке на случайную запись блоками 4КиБ.
Для первых трех тестов проводится серия замеров из 25 раундов длительностью 1 минута каждый. Перед тестом производится зануление, затем — предварительная нагрузка: последовательная запись блоками 128КиБ до достижения 2-кратной емкости. Далее выбирается по одной из величин окно установившегося состояния (4 раунда), которое проверяется построением графика. Критерии установившегося состояния: линейная аппроксимация в пределах окна не должна выходить за границы 90%/110% среднего значения.
Для теста Write Saturation Test используется 600 раундов длительностью 1 минута каждый. Среднее и максимальное значение задержек замеряется в пределах каждого раунда.
Конфигурация:
  • Тестируемое устройство: Toshiba THNSNJ480PCS3 480ГБ, fw J3ET6102
  • Стенд: 2x Intel Xeon E5606, 12ГБ ECC RDIMM, LSI 9207-8i SAS HBA, CentOS 6.5 x86_64
  • ПО для создания нагрузки: fio 2.1.11
  • Метод зануления SSD: secure erase
  • Глубина очереди, количество потоков
    1. IOPS Test: QD=8, threads=16
    2. Throughput Test: QD=8, threads=16
    3. Latency Test: QD=1, threads=1
    4. Write Saturation Test: QD=8, threads=8

Результаты

IOPS Test

Toshiba HK3R демонстрирует отличные показатели: 60093 IOPS на чтение блоками 4K и 43616 IOPS на запись. Они значительно выше заявленных, а на запись — выше типовых значений для аналогичных корпоративных MLC SSD. Впрочем, предварительная нагрузка по спецификации SNIA PTS в виде последовательной записи 2-кратного объема недостаточна для получения состояния насыщения, что и покажут дальнейшие тесты.
2D-график:

Throughput Test

Тестируется скорость последовательного чтения и записи блоками 1МиБ и 128КиБ. Результаты усредняются по пяти замерам, соответствующим выходу на установившееся состояние. Предварительная нагрузка стандартная — два прохода последовательной записи блоками 128КиБ.
  • 1024КиБ чтение: 532,7 МиБ/с
  • 1024КиБ запись: 453,6 МиБ/с
  • 128КиБ чтение: 532,6 МиБ/с
  • 128КиБ запись: 453,7 МиБ/с
На последовательном доступе SSD Toshiba HK3R так же демонстрирует хорошие результаты, на 5-6% опережая Intel S3500, тест которого был выполнен StorageReview.

Latency Test

Средняя задержка (1 поток с глубиной очереди 1):
Максимальная задержка:
Снова отличные для SSD этого класса результаты. Обратите внимание, что максимальные значения задержки на чтение блоками 4K и 8K составляют всего порядка 2 и 5мс соответственно. Заявленное предназначение "read intencive applications" — не пустой маркетинг, так как имеет вполне достаточные основания.

Write Saturation Test

Write Saturation Test — стандартный тест насыщения по спецификации SNIA PTS. Далее будет еще два теста, использующихся в StorageReview. В подобных тестах помимо производительности массива NAND имеет значение эффективность работы контроллера SSD, особенно — алгоритма фоновой сборки мусора.
График IOPS (PTS 4k write saturation test 600 min, OIO=8, threads=16):
Установившееся состояние для Toshiba HK3R — порядка 16 тыс. IOPS.
График средней задержки (PTS 4k write saturation test 600 min, OIO=8, threads=16):

График максимальной задержки (PTS 4k write saturation test 600 min, OIO=8, threads=16):

StorageReview Saturation Test

В первой серии графиков нагрузка аналогична PTS WSAT (100% запись блоками 4K), во второй используется чтение+запись 70/30 блоками 8K.
График IOPS (SR 4k write saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):
Установившееся состояние для Toshiba HK3R — порядка 16 тыс. IOPS. Хороший результат для MLC. При аналогичных параметрах теста уже можно сравнить с конкурентом в виде Intel S3500, который тестировался в SR и остановился на отметке в 13000 IOPS.
График средней задержки (SR 4k write saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):

График максимальной задержки (SR 4k write saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):

Величина максимальной задержки держится в пределах 50-65мс.
Среднеквадратическое отклонение задержки (SR 4k write saturation test 360 min, OIO=16, threads=16)
:
Как видно из графиков значение задержки на запись достаточно стабильно.
График IOPS (SR 8k read+write 70/30 saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):
При смешанной нагрузке значение IOPS, начинаясь с 11000 падает к установившемуся состоянию в 6500 IOPS. Тут уже, к сожалению, появляется существенное отставание от Intel S3500.
График средней задержки (SR 8k read+write 70/30 saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):

График максимальной задержки (SR 8k read+write 70/30 saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):

Среднеквадратическое отклонение задержки (SR 8k read+write 70/30 saturation test 360 min, OIO=16, threads=16):

StorageReview Test 04

Измеряются значения IOPS, средней и максимальной задержки, среднеквадратического отклонения значения задержки. Нагрузка — чтение+запись блоками 8КиБ в соотношении 70/30, меняются сочетания количества потоков и глубины очереди. Результаты усредняются по пяти замерам, соответствующим выходу на установившееся состояние. Предварительная нагрузка стандартная — два прохода последовательной записи блоками 128КиБ.
IOPS:

График средней задержки:

График максимальной задержки:

Среднеквадратическое отклонение задержки:

Тест с варьированием эффективной глубины очереди (число потоков * QD каждого потока) показывает классическую картину с практически линейным ростом значений средней и максимальной задержки (и её σ). IOPS достигает максимума (35900 IOPS) при эффективной глубине очереди в 32, что соответствует собственной глубине очереди всех SATA устройств с NCQ. Отрыв от Intel S3500 — почти в два раза (см. обзор Intel S3500 на StorageReview).

Заключение

У компании Toshiba получился отличный продукт, превосходящий по своим характеристикам прямых конкурентов.

Ссылки

Предыдущие обзоры SSD: