Τεχνολογία Solid-State: Οι μονάδες αποθήκευσης νέας γενιάς

Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας solid-state στον τομέα της αποθήκευσης είναι σημαντικά, γι’ αυτό και η συγκεκριμένη αγορά παρουσιάζει σημαντικούς ρυθμούς ανάπτυξης. Το μόνο μου μένει να διευθετηθεί είναι η ομαλή ενσωμάτωση των μονάδων αυτών στις ήδη υπάρχουσες υποδομές αποθήκευσης.

Τον τελευταίο χρόνο παρατηρείται έντονη άνθιση της αγοράς, που σχετίζεται με την τεχνολογία αποθήκευσης solid-state. Υπολογίζεται ότι το 16% των εταιρειών έχουν ήδη υιοθετήσει τη συγκεκριμένη τεχνολογία σε οποιαδήποτε μορφή μπορεί να ενσωματωθεί στο αποθηκευτικό δίκτυό τους, 11% προσανατολίζονται στην άμεση απόκτησή της, ενώ το 1/3 των εταιρειών βρίσκεται ήδη σε διαδικασία αξιολόγησης των χαρακτηριστικών και δυνατοτήτων της, κάτι που υποδηλώνει ότι υπάρχει αισθητή αύξηση του ενδιαφέροντος.

Η τεχνολογία, αν και δεν έχει δοκιμαστεί επαρκώς και δεν έχει υιοθετηθεί σε πληθώρα εταιρειών μέχρι στιγμής, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τις επιχειρήσεις, τώρα που το κόστος της έχει πλέον μειωθεί αρκετά. Ο λόγος είναι ότι προσφέρει αποθηκευτικές μονάδες που λειτουργούν τάχιστα, σε σχέση με τους κλασικούς μηχανικούς δίσκους, δεν φέρει μηχανικά μέρη οπότε δεν παρουσιάζει ευαισθησία στο υλικό της και χρησιμοποιεί ελάχιστη ενέργεια τροφοδοσίας, κάτι που συνεπάγεται μικρότερες ανάγκες ψύξης. Σε συνδυασμό με το μικρότερο μέγεθος, οι solid-state δίσκοι, PCIe κάρτες solid – state ή συσκευές ειδικού σκοπού solid – state καθίστανται ιδανικές, για τη βελτιστοποίηση της αποθηκευτικής δομής ενός Οργανισμο, με καλό λόγο απόδοσης/κόστους.
Φυσικά, το κόστος της τεχνολογίας ακόμα δεν επιτρέπει την πλήρη αντικατάσταση των αποθηκευτικών συστημάτων μιας επιχείρησης, με αμιγώς solid state μονάδες, γι’ αυτό υιοθετείται μερικώς για να υποστηρίξει τις πιο απαιτητικές εφαρμογές. Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι με τους οποίους ενσωματώνεται η solid-state τεχνολογία αποθήκευσης στα εταιρικά δίκτυα: α) ως κύρια μονάδα αποθήκευσης και β) με τη μορφή της προσωρινής μνήμης (cache). Αφού αποφασιστεί με ποια μορφή θα ενσωματωθεί η τεχνολογία στο αποθηκευτικό σύστημα της επιχείρησης, πρέπει να οριστεί αν θα χρησιμοποιηθούν μονάδες τεχνολογίας απλού κελιού (single Cell -SLC) ή πολλαπλών κελιών (multiple Cell- MLC). Κάθε τεχνολογία και τρόπος ενσωμάτωσης έχει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της και μια λεπτομερής μελέτη τόσο της ίδιας της τεχνολογίας όσο και των αναγκών της εταιρείας μπορεί να αναδείξει την καλύτερη τελική επιλογή. Ακολούθως, αναπτύσσονται τα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας και κάθε τρόπου εφαρμογής.

Solid-state ως κύρια μνήμη
Οι περισσότεροι κατασκευαστές που αναπτύσσουν τη solid-state τεχνολογία υπό τη μορφή της κύριας μνήμης αποθήκευσης, χρησιμοποιούν την τυπική διαμόρφωση δίσκου που ακολουθούσαν μέχρι τώρα οι εταιρείες. Βασικοί λόγοι είναι η εξοικείωση των χρηστών με αυτήν, η ευκολία άμεσης ενσωμάτωσης στις υπάρχουσες δομές αποθήκευσης και η συμβατότητα με τις ρυθμίσεις των διεργασιών που τελούνται. Κύριο μειονέκτημα της εν λόγω εφαρμογής είναι ότι οι παραδοσιακοί ελεγκτές δίσκων δεν έχουν σχεδιαστεί για αυτό το επίπεδο ταχύτητας και απόδοσης. Γι’ αυτόν το λόγο οι κατασκευαστές δεν υποστηρίζουν την πλήρη αντικατάσταση των μηχανικών δίσκων από SSDs (solid-state disks), αν και οι ελεγκτές εξελίσσονται ώστε να μπορούν να χειρίζονται περισσότερους δίσκους.
Παρόλα αυτά και η μερική υιοθέτηση των SSDs σε ένα υπάρχον σύστημα αποθήκευσης, συνεπάγεται σημαντική βελτίωση της απόδοσης – της τάξης του x5 ή x8 για δεδομένο φορτίο έργου. Στις μέρες μας αρχίζουν να προβάλουν νέα προϊόντα στην αγορά, τα οποία έχουν σχεδιαστεί με τη μορφή της κύριας μνήμης, διαθέτοντας χωρητικότητα του ύψους των ΤΒ (απλού ή διπλού ψηφίου). Για τις εταιρείες που ενσωματώνουν στα συστήματά τους SSDs, τίθεται το ερώτημα ποια δεδομένα θα πρέπει να βρίσκονται σε αυτή τη μνήμη, μιας και δεν υποστηρίζεται η ολική υιοθέτηση. Υπάρχουν προφανείς επιλογές, όπως τα ευρετήρια των βάσεων δεδομένων, πίνακες υψηλού βαθμού προσπέλασης στις βάσεις δεδομένων, αρχεία καταγραφής δραστηριοτήτων των χρηστών ή των εφαρμογών κ.ά. Παρόλα αυτά δεν υπάρχει μία στατική λύση για τον ορισμό των κρίσιμων δεδομένων που απαιτούν υψηλή εξυπηρέτηση, μιας και οι παράμετροι προτεραιότητάς τους μπορεί να αλλάζουν από μέρα σε μέρα. Κατά συνέπεια, απαιτείται η διαρκής επαγρύπνηση των ΙΤ διαχειριστών, ώστε να εισάγουν τις κατάλληλες ρυθμίσεις και να φροντίζουν να εξυπηρετούνται από τους SSDs τα κρίσιμα δεδομένα της επιχείρησης. Σε αντίθετη περίπτωση, η απόδοση δεν θα παρουσιάσει σημαντικές αλλαγές και η επένδυση στη νέα τεχνολογία δεν θα αποφέρει τα επιθυμητά αποτελέσματα.
Ο καθορισμός των δεδομένων που θα αλλάξουν την απόδοση του συστήματος αν μεταφερθούν στους SSDs, δεν είναι εύκολος, είναι χρονοβόρος και πάντα υπάρχει η πιθανότητα του σφάλματος. Απαιτείται λοιπόν μια πιο απλοποιημένη διαδικασία, που θα περιορίζει όσο το δυνατόν τη συμμετοχή του ανθρώπινου παράγοντα. Από τους περισσότερους κατασκευαστές διατίθεται πλέον λογισμικό αυτόματης προώθησης των δεδομένων προς τους SSDs και απομάκρυνσής τους προς τους μηχανικούς δίσκους, όταν η σπουδαιότητά εξυπηρέτησής τους μειωθεί. Το λογισμικό παρατηρεί την κινητικότητα των δεδομένων στο εταιρικό σύστημά, τα χαρακτηρίζει ως υψηλής προτεραιότητας ή όχι και φροντίζει για τον κατάλληλο ρυθμό εξυπηρέτησής τους. Παράλληλα, επιτρέπει στους διαχειριστές να ορίσουν το επίπεδο κινητικότητας το οποίο θα τα χαρακτηρίζει ως κρίσιμα, να θέσουν τη χρονική περίοδο παρατήρησης της κίνησης του δικτύου έως ότου αποφασιστεί ο χαρακτηρισμός των δεδομένων και επίσης επιτρέπει να καθοριστούν ξεχωριστές παράμετροι που θα ελέγχουν τη συχνότητα της μετακίνησης των δεδομένων από και προς τους SSDs, σε χρονικές περιόδους της ώρας ή ακόμα και της εβδομάδας. Μερικά από αυτά τα λογισμικά έχουν τη δυνατότητα να προτείνουν στους διαχειριστές την κατηγοριοποίηση των δεδομένων βάσει των μετρήσεων που τελούν.

Διαμόρφωση και διαχείριση των SSDs
Οι μονάδες αποθήκευσης solid-state διατίθενται σε πλήθος διαφορετικές διαμορφώσεις, συμπεριλαμβανομένων σχεδόν όλων των κλασικών διαμορφώσεων των σκληρών δίσκων, ως εσωτερικά modules στα συστήματα αποθήκευσης ή ως PCIe κάρτες. Η τελευταία περίπτωση παρέχει τη δυνατότητα του υψηλού εύρους προσπέλασης της μνήμης μέσα στο server ή το σταθμό εργασίας.
Οι SSDs που διατίθενται για εταιρική χρήση είναι της τάξης μεγέθους των 2,5 ή 3,5 ιντσών και είναι συμβατοί με τα τρέχοντα συστήματα αποθήκευσης, υποστηρίζοντας τις κύριες μορφές διασύνδεσης των δίσκων, όπως SATA, SAS και FC. Η διασύνδεση SATA είναι διαθέσιμη σε πλήθος SSDs και ειδικότερα για όσους προορίζονται για χρήση από το μέσο καταναλωτή και για desktop συστήματα. Η FC θεωρείται η διασύνδεση του μέλλοντος για τα SAN συστήματα αποθήκευσης, αλλά ως βασική διασύνδεση δίσκου έχει αρχίσει να εξαφανίζεται. Οι κατασκευαστές προτιμούν πλέον την SAS διασύνδεση των 6Gbps και την προορίζουν για τα τρέχοντα εταιρικά δίκτυα. Αναμένεται η FC να διατηρηθεί για εταιρική χρήση λόγω της ύπαρξης πληθώρας δίσκων 3,5 ιντσών στα αποθηκευτικά τους συστήματα, ενώ δεν θα χρησιμοποιείται πλέον για τους δίσκους 2,5 ιντσών.
Solid-State ως προσωρινή μνήμη
Ο άλλος βασικός τρόπος ενσωμάτωσης της solid-state τεχνολογίας στα υπάρχοντα εταιρικά αποθηκευτικά συστήματα είναι ως προσωρινή μνήμη αποθήκευσης, η οποία προηγείται της κύριας μνήμης του συστήματος. Με αυτήν τη μέθοδο πάντοτε εξυπηρετούνται γρηγορότερα τα κρίσιμα δεδομένα του δικτύου σε πραγματικό χρόνο, μιας και βάσει της λειτουργίας της η προσωρινή μνήμη φέρει μόνο τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται περισσότερο. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι διαδικασίες ορισμού των κρίσιμων δεδομένων και απλοποιείται ο τρόπος χρήσης των SSDs.
Οι λύσεις solid state cache μπορούν να ενσωματωθούν άμεσα στα αποθηκευτικά συστήματα ή στους servers ή διατίθενται ως εξωτερικές αυτόνομες μονάδες αποθήκευσης. Η προσθήκη μνήμης flash ως προσωρινής μνήμης, ουσιαστικά βελτιώνει την απόδοση για όλες τις εφαρμογές, ενώ επειδή πρόκειται για μη πτητική μνήμη, παρέχει επιπλέον προστασία των κρίσιμων δεδομένων σε περίπτωση απώλειας της τροφοδοσίας. Εν γένει η προσωρινή μνήμη είναι άμεσα συνδεδεμένη με τον επεξεργαστή ή ελεγκτή και υπάρχουν επιλογές διαχείρισης με τις οποίες μπορεί να συνεργαστεί με παραπάνω από έναν επεξεργαστές και ελεγκτές. Επιπρόσθετα, τα αποθηκευτικά συστήματα που χρησιμοποιούν προσωρινή μνήμη μπορούν να υιοθετήσουν ειδικές λειτουργίες εντός των λειτουργικών τους συστημάτων, οι οποίες αναγνωρίζουν την προσωρινή μνήμη και έτσι παρέχουν μεγαλύτερη ευελιξία στον τρόπο ελέγχου των δεδομένων, όπως π.χ. παρέχουν τη δυνατότητα ορισμού διαφορετικής προτεραιότητας εισόδου/εξόδου για δεδομένα που μετακινούνται σε διαφορετικά μέρη του αποθηκευτικού συστήματος.
Οι solid state cache που διατίθενται ως ξεχωριστές συσκευές, πλεονεκτούν, μιας και δεν απαιτούν καμία τροποποίηση στην υπάρχουσα δομή. Ενσωματώνονται εύκολα και επιταχύνουν άμεσα την κίνηση των δεδομένων που λαμβάνουν και αποστέλλουν, ενώ ταυτόχρονα συνεργάζονται με πολλά αποθηκευτικά υποσυστήματα. Σε πολλές από αυτές τις συσκευές διατίθενται λειτουργίες, όπως ανάστροφη εγγραφή, απευθείας εγγραφή και ανάστροφη εγγραφή (write back, write through, pass trough) για οποιαδήποτε δεδομένα επιταχύνουν. Τέλος, η διασύνδεσή τους με το σύστημα γίνεται ενόσω το τελευταίο βρίσκεται σε λειτουργία και δίχως να απαιτείται η διακοπή του.
Το ερώτημα που τίθεται σε αυτήν την περίπτωση είναι το μέγεθος του SSD που θα επιλεγεί γα το σύστημα και θα επαρκεί για τη χρήση του ως κρυφή μνήμη. Για τα περισσότερα φορτία δεδομένων και τις διάφορες εφαρμογές, η εισαγωγή μιας cache της τάξεως του 5%-20% του συνολικού αποθηκευτικού όγκου του συστήματος, είναι αρκετή για να σημειωθεί σημαντική βελτίωση στην απόδοση του συστήματος. Υπάρχουν όμως και φορτία, που για να παρατηρηθεί αύξηση στην απόδοση εξυπηρέτησής τους, πρέπει να διαχειρίζονται εξ ολοκλήρου από τη solid state αποθηκευτική μονάδα. Κατά συνέπεια, πρέπει να μελετηθούν οι λειτουργίες της επιχείρησης και να καθοριστεί ποιο είναι το καταλληλότερο μέγεθος και η ορθότερη διασύνδεση.

Ποια διαμόρφωση solid -state;
Η επιλογή αγοράς solid – state αποθηκευτικής μονάδας συμβαδίζει με την απόφαση της χρήσης της ως προσωρινής ή ως κύριας μνήμης, ως εξωτερικής συσκευής ή ως μέρος ενός server. Ουσιαστικά, οι ανάγκες απόδοσης των εφαρμογών που υλοποιούνται στο εταιρικό δίκτυο καθορίζουν την τελική επιλογή. Αν η κίνηση των δεδομένων φαίνεται να καθυστερεί εντός ενός server ή κατά τη λειτουργία μιας εφαρμογής, τότε η ενσωμάτωση στο server ενός SSD 2,5 ή 3,5 ιντσών ή μιας solid-state PCIe κάρτας ή ως DIMM μνήμης, θα φέρει τα επιθυμητά αποτελέσματα.
Στην περίπτωση που προκύπτουν κρίσιμα δεδομένα τα οποία διακινούνται σε καθημερινή βάση, τότε η καλύτερη επιλογή είναι η NAND flash cache. Σε αυτήν την περίπτωση το σύστημα καθορίζει ποια είναι τα πιο κρίσιμα δεδομένα και τα επιταχύνει αυτόματα. Από την άλλη μεριά, αν υπάρχουν κρίσιμες εφαρμογές που απαιτούν βελτιστοποίηση της απόδοσής τους, τότε ίσως απαιτηθεί η χρήση SSD ως κύρια μνήμη. Τέλος, αν υπάρχουν δεδομένα τα οποία πρέπει να απομονωθούν και να διακινούνται τάχιστα, τότε η επιλογή μιας εξωτερικής συσκευής solid-state ειδικού σκοπού είναι η καλύτερη.

Ποια solid state flash είναι η καταλληλότερη επιλογή;
Η μνήμη flash των SSDs έχει δύο διαφορετικούς τύπους υλοποίησης – και αν και οι κατασκευαστές προτιμούν να μην αναδεικνύουν τις διαφορές μεταξύ τους, η κατανόησή τους βοηθά στη βέλτιστη τελική επιλογή από μία επιχείρηση. Διατίθενται SSDs τεχνολογίας multi level cell (MLC) και single level cell (SLC) flash, με καθεμία να έχει τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματά της. Κάθε μνήμη flash επιδέχεται ποσοστό φθοράς λόγω των επαναλαμβανόμενων εγγραφών/διαγραφών. Κάθε φορά που ένα κελί προσπελαύνεται, μέρος του φορτίου παγιδεύεται στη διηλεκτρική πύλη του τρανζίστορ, προκαλώντας μία μόνιμη μετατόπιση των χαρακτηριστικών του κελιού. Μετά από ορισμένο αριθμό εγγραφών, το κελί οδηγείται σε πλήρη αδυναμία απόκρισης και θεωρείται κατεστραμμένο.
Η MLC flash είναι η πιο κοινή επιλογή και εντοπίζεται σε προϊόντα που απευθύνονται στο μέσο καταναλωτή, όπως είναι οι κάμερες, τα τηλέφωνα, οι USB μνήμες, αν και διατίθεται και σε ορισμένα εταιρικά προϊόντα. Από το σήμα που βρίσκεται αποθηκευμένο σε ένα κελί της MLC flash μπορούν αναγνωσθούν έως και τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις. Αυτό συνεπάγεται ότι είναι πιο πυκνοδομημένη και άρα φτηνότερη, αλλά έχει μικρότερο χρόνο ζωής και χαμηλότερη απόδοση εγγραφής σε σχέση με την τεχνολογία SLC.
Η SLC flash είναι μία μνήμη σαφώς ταχύτερη και πιο αξιόπιστη, αλλά είναι ακριβότερη και συνήθως εντοπίζεται σε αποθηκευτικές μονάδες υψηλής απόδοσης. Η μνήμη χρησιμοποιεί μόνο ένα κελί για να αποθηκεύσει πληροφορία του ενός bit. Ένα κελί μιας MLC μνήμης τυπικά αντέχει για 10.000 κύκλους εγγραφής/διαγραφής, ενώ ένα κελί SLC μνήμης έχει 10 φορές μεγαλύτερο κύκλο ζωής. Παρόλα αυτά, έχουν υιοθετηθεί τεχνικές με τις οποίες βελτιώνεται ο χρόνος ζωής των MLC flash, όπως π.χ. η κυκλική επιλογή κελιών αποθήκευσης, ώστε όλα να επιδέχονται τον ίδιο βαθμό φθοράς και άρα να καθυστερεί η τελική αστοχία τους.
Εν κατακλείδι, η χρήση της τεχνολογίας αποθήκευσης solid state υπό οποιαδήποτε μορφή και να ενσωματωθεί σε ένα σύστημα, συνεπάγεται αύξηση της απόδοσης έως 7-9 φορές για τις καθημερινές εταιρικές λειτουργίες. Τροχοπέδη αποτελεί το κόστος της τεχνολογίας για την ολική αντικατάσταση των παλαιότερων μαγνητικών δίσκων με τους SSDs, αν και στις μέρες μας υιοθετούνται πλήθος τεχνικών βελτίωσης της απόδοσης των συστημάτων που δεν θεωρούνται οικονομικότερα. Για παράδειγμα, με τη μέθοδο Short Stroking, οι ΙΤ διαχειριστές φροντίζουν για το διαμοιρασμό των δεδομένων σε πλήθος σκληρών δίσκων, χρησιμοποιώντας όμως μόνο το 1/7-1/9 της συνολικής τους χωρητικότητας, ώστε να επιταχύνεται ο χρόνος προσπέλασής τους. Άρα, όταν ένας SSD κοστίζει 10-15 φορές περισσότερο από ένα μαγνητικό δίσκο, είναι λογικό ότι για τις πιο κρίσιμες εφαρμογές μπορεί να χρησιμοποιηθεί η νέα τεχνολογία, η οποία επιπρόσθετα καταλαμβάνει λιγότερο χώρο, καταναλώνει λιγότερη ενέργεια και σημειώνει λιγότερες αστοχίες λόγω μηχανικής καταπόνησης ή εξωτερικών δονήσεων.

Της Παναγιώτας Τσώνη