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從2015年8月18起

 

做客存儲極客欄目

 

與你分享存儲里的那點事兒

 

評估存儲系統中SSD的壽命，既不是只有SLC、MLC、TLC之分那么簡單，卻也有辦法繞開那復雜的一大堆技術參數。我們的建議是：了解閃存特性，抓住關鍵指標，從應用負載入手作出決策。

 

 

 

在前幾期的《存儲極客》系列連載中，我們跟大家討論過機械硬盤不常被人們注意的一點——讀寫壽命（建議負載，單位：TB/年）。同時也提到了“閃存有P/E cycle（編程/擦除周期）的限制，也就是通常所說的寫壽命……”

 

由于SSD相比HDD巨大的性能優勢，用戶不再需要為了IOPS而去“堆磁盤”；另外SSD單盤容量（1.92、3.84TB）也已經遠超15000轉硬盤（最大600GB）。如今用3D NAND SSD替代同容量的高轉速企業級HDD，考慮到節省的盤柜空間，已經成本更低了。在這種情況下閃存想不流行都難。

 

以SSD/閃存為介質的存儲系統，用戶適當關注其介質壽命是正常的。而這就是本文要討論的重點。

 

SSD等級劃分：哪個指標更關鍵？

 

不同的閃存單元結構，直接影響到編程（擦除/寫入）的時間長短和次數，但最終表現在SSD成品上的還有許多其它因素。

 

首先是NAND方面，這里有幾個要點：顆粒等級、制造工藝，還有2D/3D之分。比如早期業內共識的一種分類方式是eMLC優于MLC（cMLC），Intel用的是另外一種叫法——HET (High Endurance Technology) 和SET (Standard Endurance Technology) 。與其說今天eMLC一詞有點被“濫用”，不如承認現在的企業級SSD寫耐久度范圍確實比較寬，因為還牽涉到一些NAND基礎單元之外的東西。

 

我們在以前的文章中寫到過“利用多層堆疊封裝，3D NAND能夠提高閃存顆粒的密度。同時，搭配更加成熟3x-50nm半導體工藝，在相同的閃存類型（比如MLC vs. MLC，TLC vs. TLC）上比現今前沿的1x-20nm閃存會有更好的耐久度。眾所周知，隨著cell單元尺寸的不斷縮小，NAND的P/E Cycle（編程/擦除周期）呈不斷下降趨勢，廠商們用更強大的糾錯算法以及下面要講到的“OP”來應對。”

 

同樣的NAND閃存顆粒，制作成SSD閃存盤成品又可以有不同的等級。一個重要的因素是超量配置（Over Provisioning），許多朋友應該都知道閃存的寫放大效應，這里就不詳細展開了。在其它條件相同的情況下，SSD的OP比例越大，垃圾回收效率一般就越高，控制住寫放大，寫入壽命和性能就會相應越高。

 

所以，最終的結果有可能是MLC (eMLC) SSD的寫入壽命達到了SLC的水平，3D TLC超過（2D）MLC的也不鮮見。因此，對于大多數最終用戶而言，我覺得主要關注DWPD（Drive Writes Per Day）——每天可以寫入整盤容量的幾倍一項指標即可，通常指的是5年（x365天），也有按3年標的。

 

注：PBW（生命周期內總寫入容量）= SSD容量x DWPD x天數

 

好在規范的企業級SSD廠商大都比較靠譜，出于對用戶負責的態度這一指標也不會亂寫。至于支持閃存/SSD的存儲陣列，早期我看到大家普遍在配件列表中用SLC、eMLC的方式區分，如今逐漸轉向更加合理有效的方式——寫密集型、讀密集型和混合用途SSD（介于前兩者之間），分別對應不同的DWPD區間。

 

接下來的一個問題是：如何判別陣列上的SSD？對于配置通用SAS接口的產品，一般不難看出其供應商和型號；如果是采購之前，就要看陣列廠商的資料和報價說明。在本文中我們“走了個捷徑”，從下面這張圖說起：

 

為什么引用SPC-1測試報告？

 

 

 

眾所周知，SPC-1是評估企業存儲性能的基準測試，具體一點說是模擬的OLTP交易型工作負載。這里引用的報告也不算新聞了，Dell Storage SC4020使用6個SSD，測得SPC-1 IOPS 112,479.81，性價比$0.37/SPC-1 IOPS，數據保護為鏡像方式。

 

為什么我們要列出這一份報告，它與閃存/SSD的等級和壽命計算又有什么關系呢？

 

 

 

在這個SPC-1報告的配置圖中，注明使用了480GB SAS SSD，并且根據型號“HUSMR1650ASS200”可以查到供應商是HGST。

 

注：不是每一份SPC報告都會公布使用的驅動器具體型號，這也是我們使用Dell這個來分析的原因。基本上每個存儲系統廠商都會有不只一家SSD供應商來源，因此在SC4020中如有480GB SSD來自其他品牌也屬于正常。

 

 

根據詳細的測試環境配置，生成負載的前端主機使用了一臺Dell PowerEdge R720服務器，安裝了兩顆Intel Xeon（至強）2.0GHz E5-2650 8核CPU。另外雙控的SC4020存儲每個控制器也各有一顆4核Xeon處理器。

 

了解到全閃存陣列測試性能和SSD配置，為我們在下一篇中繼續壽命估算和選型建議打下了基礎。

 

看SSD好壞不能憑經驗？

 

 

 

這款SSD屬于使用MLC閃存的Ultrastar SSD1600MR系列，其型號在HGST官網上的資料中對應容量為500GB。出于統一的考慮，OEM的型號把SSD容量調小些也屬于正常（物理閃存容量不變）。性能參數什么的感覺都在正常范圍內，而現在我最關心的是PBW寫入壽命——2.4PB，4KB隨機寫。

 

前面提到過寫放大，它與寫入方式也有關系，企業級SSD通常是按照最差的情況——小數據塊隨機寫來考慮。按照5年365天來計算，其DWPD指標大約為2.63。細心的讀者可能會發現這一數值要高于400GB和800GB的DWPD=2。

 

按照行業慣例的分類，這個系列SSD屬于讀密集型產品。

 

不知是否有讀者朋友和我一樣有類似的習慣——400、800GB這些容量點在企業級SSD中比480、960GB更好一些？如果前者出現在寫壽命更高的系列中其OP比例往往更大，但現在討論的情況卻表明了一點——在DWPD同級的讀密集型SSD中也可能有400、800GB這樣的型號，此時它們的物理閃存容量與500（480）、1000（960）GB顯然是不同的。

 

閃存陣列上SSD的DWPD范圍

 

 

上圖引用自戴爾SC陣列上支持的SSD分類，而我們的討論并不限于某家存儲廠商。除了容量點之外，不同類別之間的最大差別就是寫入壽命和性能。無論寫密集型SSD采用SLC還是MLC，讀密集型采用MLC還是3D TLC，其DWPD值仍然保持在原來的范圍內。

 

 

這個表里既有業內通用的劃分方法，也補充進我了解到的情況（橙色字體）。盡管企業級讀密集型SSD的DWPD可以在0.1-3之間，但實際上DWPD＜1的型號主要用于服務器啟動盤和一些寫入較少的“冷”存儲應用（曾看到Intel有種分類將其稱為數據中心SSD，區別于傳統意義上的企業級）。

 

我們看到用于企業級閃存陣列上的SSD，一般至少要達到DWPD 1-3的范圍。

 

此外，據了解采用SLC閃存和5年DWPD＞20的SSD會慢慢淡出主流市場。不過我們無需因此對閃存壽命有太多擔心，因為按照半導體存儲介質自身的特點，生命周期總寫入量（PBW）又和SSD容量成正比，DWPD低可以用容量來補。比如說目前DWPD=25的SSD常見容量有400GB，其總寫入量為18.25PB；DWPD=10的SSD容量已達1600GB，總寫入量已高達29.2PB。

 

本文到此先告一段落，在下篇中將繼續分析全閃存陣列的寫入負載，包括SPC-1這樣的極限性能測試，以及更加貼近大多數用戶的計算模型。希望能夠對大家選擇不同等級/容量的SSD帶來參考。