مراکز داده غرق در حافظه‌های NAND؛ بررسی انواع فناوری درایوهای جامد حرفه‌ای مناسب سرور

این مطلب یکی از مجموعه مقالات پرونده ویژه «به دوران پساهارددیسک خوش آمدید» است. برای دریافت کل پرونده ویژه می‌توانید به این لینک مراجعه کنید. 

فناوری و انواع SSD مراکز داده
درایوهای SSD حرفه‌ای که در سرورها و مراکز داده استفاده می‌شوند، با درایوهای SSD کامپیوترهای رومیزی، نوت‌بوک، تبلت و مانند این‌ها تفاوت‌های اساسی دارند. این درایوها در محیط‌های با بار کاری و ترافیکی بسیار بالایی مانند پایگاه‌داده‌ها، بیگ دیتا، ایندکس و لاگ‌گیری فایل‌ها و تراکنش‌ها، تحلیل اطلاعات و آمار و ارقام و مراکزی با ترافیک صدها گیگابایت اطلاعات در هر ثانیه استفاده می‌شوند. 

مطلب پیشنهادی

نگاهی به بازار سرورها

آشفتگی در بازار داغ سرورها و ذخیره‌سازهای ایران

SSD مراکز داده که اصطلاحاً Enterprise SSD نامیده می‌شوند و با همین برچسب در بازار به فروش می‌رسند، به طور کلی با استفاده از حافظه‌های فلش NAND ساخته می‌شوند که در مقایسه با هارددیسک‌های معمولی، کارایی بیشتر و مصرف انرژی کمتری دارند. همچنین این درایوها در مقایسه با SSDهای معمولی مزایای بیشتری دارند. برای مثال، علاوه بر کارایی بسیار زیاد، برای حفاظت از اطلاعات در هنگام قطع برق، از قابلیتی به نام DRAM-Stored استفاده می‌کنند، از الگوریتم تصحیح خطا (ECC) بهره می‌برند، جنس بدنه مقاوم‌تر و سازگار با شرایط خاص دارند و سیستم خنک‌کنند‌گی آن‌ها متفاوت است. همچنین از ضمانت‌های طولانی‌مدت نیز بهره می‌گیرند. 
SSD اینترپرایز به گونه‌ای طراحی می‌شود که در مقایسه با SSD معمولی، پایداری و سطح مقاومت بیشتری داشته باشد. این درایوها از نوعی حافظه فلش NAND به نام Wear-Out استفاده می‌کنند که امکان چندین بار پاک کردن و نوشتن مجدد چیپ‌ست SSD را فراهم می‌کند. سازندگان SSD اینترپرایز طوری حافظه‌های NAND را با استفاده از تکنیک‌ها و الگوریتم‌هایی مانند Wear-Leveling، Self-Healing و  Over-Provisioning طراحی و تولید می‌کنند که در طول زمان بر استقامت آن‌ها افزوده شود. با استفاده از تکنیک Over-Provisionin، تعداد حافظه NAND بیشتری در درایو SSD اینترپرایز گنجانده می‌شود تا در هنگام عملیات بازنویسی چیپ‌ست یا خرابی‌ها، استفاده و جایگزین شوند. 

تنوع در استفاده از انواع حافظه‌های فلش NAND و تکنیک‌های مقاوم‌سازی و افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی، سبب شده است اکنون در بازار با طیف‌های مختلفی از درایوهای SSD مناسب مراکز داده روبه‌رو شویم 

درایوهای SSD اینترپرایز جدید که در سال‌های اخیر عرضه شده‌اند، از یک سطح سلولی (SLC) حافظه NAND استفاده می‌کنند که باعث می‌شود هر بیت در یک سلول نوشته شده و در نتیجه، بیشترین سطح کارایی و پایداری با دوره زندگی (LifeCycle) نزدیک به صد هزار بار نوشتن روی هر سلول به دست آید. پیشرفت‌ها و بهبودهای چند سال اخیر در حوزه تولید حافظه‌های فلش، به سازندگان SSD این قدرت را داده است که از انواع حافظه‌های فلش مانند Multi Level Cell (MLC) ،(TLC) Triple Level Cell و 3D NAND در ساخت SSD اینترپرایز استفاده کنند و در نتیجه با کمترین هزینه، بالاترین ظرفیت ذخیره‌سازی و پایداری را به دست بیاورند. تنوع در استفاده از انواع حافظه‌های فلش NAND و تکنیک‌های مقاوم‌سازی و افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی، سبب شده است اکنون در بازار با طیف‌های مختلفی از درایوهای SSD مناسب مراکز داده روبه‌رو شویم که هریک برای محیط‌های کاری و کاربردهای خاص طراحی و تولید شدند. برای مثال، شرکتی درایوهای SSD با ظرفیت‌های بسیار بالا تولید می‌کند که فقط مناسب استفاده در محیط‌های نرم‌افزاری و پایگاه داده‌ای با بار کاری بالا برای نوشتن و خواندن اطلاعات هستند. درایو SSD دیگری برای نوشتن کامل روی درایو در یک روز (DWPD) طراحی شده است؛ به این معنی که هر روز کل ظرفیت درایو پر شده و روز بعد دوباره از ابتدا بازنویسی و پر می‌شود و در تمام سال این فرایند تکرار خواهد شد. درایو دیگری ممکن است از فرایند 25 DWPD با ظرفیت‌های بسیار کم برای پشتیبانی از اطلاعات حساس بهره ببرد. 
همان‌طور که درایوهای SSD حرفه‌ای از فناوری‌ها و تکنیک‌های مختلفی بهره می‌برند؛ در شکل و قالب و رابط کاربری مختلفی به بازار عرضه می‌شوند. رابط کاربری بیشتر این درایوها یکی از مدل‌های serial ATA (SATA)، serial-attached SCSIم(SAS) و PCI Expressم(PCI-e) برای انتقال اطلاعات به واحدهای پردازنده یا دریافت اطلاعات از آن‌ها است. از نظر اندازه نیز رایج‌ترین‌ها 5/2 اینچی هستند که به‌راحتی در باکس‌های هارددیسک‌ها جایگذاری می‌شوند، اما اندازه‌های half-height half-lengthم(HHHL) با استفاده از افزودن کارت توسعه و مدل‌های M.2 که در اسلات‌های توسعه PCI-e کامپیوترهای معمولی قرار می‌گیرند، در بازار یافت می‌شوند. همچنین مدل‌های DIMM نیز با چیپ‌ست و بردهای کوچک برای ارتباط با مادربرد کامپیوترهای معمولی عرضه شده‌اند. 

دلایل مهاجرت
در حال حاضر، به نقطه‌ای رسیده‌ایم که استفاده از درایوهای SSD توجیه‌پذیر است. این حافظه‌ها در شبکه‌های اینترپرایز و سرورها کارایی بسیار بالاتر و بهتری از خود نشان می‌دهند که بر اثر آن با پردازش حجم کاری جدیدی روبه‌رو می‌شویم. همچنین این درایوها توانسته‌اند رضایت کامل کاربران نهایی را جلب کنند و مدت زمان پاسخ‌گویی و اجرا بسیار مناسبی در شبکه‌های پرسرعت و بی‌درنگ نشان دهند. در بسیاری موارد، SSD باعث جلوگیری از خرید سرور جدید می‌شود و این برای کسب‌وکارها بسیار اهمیت دارد. چه دلایلی بهتر از این‌ها برای مهاجرت از HDD به SSD سراغ دارید؟
در چند سال اخیر و با ورود شرکت‌های بزرگ سازنده حافظه‌های NAND به دنیای سرورها و مراکز داده، SSD به نقطه اوج خود رسیده است. در مقایسه با هارددیسک‌های سنتی، درایوهای جدید ذخیره‌سازی، مدت‌زمان تأخیر کمتری دارند. درایوهای SSD جدید در مقایسه با هارددیسک‌ها، حدود هزار برابر در واحد IOPS تأخیر کمتری دارند، اما توان خروجی آن‌ها سه تا پنج برابر بیشتر است. به همین دلیل می‌توان گفت در سال جاری میلادی، SSD به طور کامل در حال جایگزین شدن با HDD است. 

صرفه‌جویی هزینه‌ای و کارایی، تنها دلایل استقبال از SSD نیست، برخی کارهای خاص با این درایوها بسیار ساده‌تر و سریع‌تر از گذشته انجام می‌شود. 

بدون شک، سرورهایی که مستقیماً از درایوهای SSD به‌عنوان ذخیره‌ساز داخلی خود استفاده می‌کنند، سریع‌تر هستند. پرواضح است که کسب‌وکارها، به سرورهای کمتری برای بار کاری و ترافیک خود نیاز خواهند داشت و در هزینه‌ها صرفه‌جویی می‌شود. علاوه بر سرعت، درایوهای SSD در طول عمر مفید سرورها نیز تأثیرگذار هستند و کمک می‌کنند سرورها بیشتر در شبکه استفاده شوند. فناوری‌ها و ابزارهای نرم‌افزاری جدید نیاز به جابه‌جایی هارددیسک‌ها با SSD را رفع کرده‌اند و تنها با اضافه کردن دو یا چهار SSD به سرور، می‌توان به‌سادگی اطلاعات کم‌اهمیت را روی هارددیسک‌ها کپی و از آن‌ها به‌عنوان ذخیره‌سازهای جانبی استفاده کرد و در عوض، درایوهای SSD به‌عنوان حافظه‌های اصلی سیستم به کار گرفته شوند. 
صرفه‌جویی هزینه‌ای و کارایی، تنها دلایل استقبال از SSD نیست، برخی کارهای خاص با این درایوها بسیار ساده‌تر و سریع‌تر از گذشته انجام می‌شود. برای مثال، اسکن مرتب ویدیوهای در حال ویرایش، نیازمند آرایه‌های RAID بزرگ برای کاهش تأخیر هستند. اکنون، این کار که در گذشته بسیار سخت و طاقت‌فرسا بود، به یمن ایستگاه‌های کاری مبتنی بر SSD بسیار راحت و امکان‌پذیر شده است. همین‌طور عملیات‌ جست‌وجو در پایگاه‌های داده به فضاهای ذخیره‌سازی بسیار سریع نیاز دارد. در دنیای تراکنش‌های مالی، درایوهای SSD باعث کاهش تأخیر دسترسی به جدول‌های مالی و در نتیجه کاهش هزینه‌های تراکنش‌ها در مقیاس مگا-دلار در هر ثانیه شده‌اند. 
سرورهای SSD نیز باعث نجات سرویس‌های کلاود شدند. اولین مشکل سرویس‌های محاسبات ابری، تأخیر و نرخ خواندن I/O روی تجهیزات ذخیره‌سازی بود. سرورها نمی‌توانستند به سرعت و بی‌درنگ درخواست‌های واحدهای پردازشی گرافیکی با حجم زیادی حافظه رم را پاسخ‌گو باشند و بر حسب تقاضا بتوانند عملیات‌ را بدون تأخیر تأثیرگذار و مختل‌کننده انجام دهند. این وضعیت در سرورهای مجازی و دستگاه‌های ذخیره‌سازی محلی وخیم‌تر می‌شد. در حالی که بسیاری از شرکت‌ها راه‌حل را استفاده از تعداد زیادی HDD برای بار کاری زیاد می‌دانستند، SSD به‌راحتی این مشکل را حل کرد. 

مراکز داده به تسخیر SSD درآمدند
در گذشته‌های بسیار دور، سرویس‌های کلاود گسترده‌ای مانند AWS یا گوگل از ارائه سرویس‌های ذخیره‌سازی خودداری می‌کردند و مشتریان باید به سراغ سازندگان سرورهای سنتی مانند سوپرمیکرو، لنوو، کوانتا و میتک اینترنشنال می‌رفتند تا مستقیماً و به ازای پرداخت هزینه، از فضای ذخیره‌سازی استفاده کنند. در سال 2016، مراکز داده سطح متوسط بازار به راهکار جدید و به‌صرفه‌ای دست پیدا کردند. این مراکز داده به سراغ سازندگان سرور ODM رفتند تا از درایوهای SSD در سیستمشان استفاده کنند. در این حالت و با SSD، هزینه هر یک ترابایت حدود 300 دلار ‌می‌شد، اما هزینه یک ترابایت هارددیسک SAS روی سرورهای دل، حدود 700 دلار خرج دارد. حتی اگر شرکت‌های ODM سرور، از SSD استفاده کنند، 960 گیگابایت فضای ذخیره‌سازی روی SSD حدود 533 دلار هزینه دارد که باز هم در مقایسه با 300 دلار زیاد است. این قیمت‌ها داستان بی‌اساس گران‌تر بودن SSD را به چالش می‌کشند. در گذشته، هرگاه از شرکت‌های ODM درباره اینکه چرا امکان استفاده از SSD را فراهم نمی‌کنند سؤال می‌شد، پاسخ می‌دادند که بسیار گران‌تر از هارددیسک‌های سنتی هستند و به‌خصوص در سرورها و مراکز داده که حجم زیادی از ذخیره‌سازی اطلاعات دارند، این گران‌تر بودن گاهی چندین برابر می‌شود. این تصور زمانی درست است که SSD را از شرکت‌های سازنده آرایه‌های ذخیره‌سازی تهیه کنید؛ از آنجا که این شرکت‌ها، درایوهای SSD را بر اساس معماری خودشان تغییر می‌دهند، آن را گران‌تر می‌فروشند، اما وقتی درایو SSD خامی را از بازار تهیه کنید، حتی ارزان‌تر از سیستم‌های ذخیره‌سازی سنتی مبتنی بر هارددیسک خواهد بود. 

کارشناسان شبکه‌های کامپیوتری و مراکز داده پذیرفته‌اند که در این حوزه و بازار، کارایی SSD بهتر از HDD بوده و بهتر است در تجهیزات ذخیره‌سازی، حافظه‌های رم، حافظه‌های فلش ابررایانه‌ها و حافظه‌های جانبی، از درایوهای SSD استفاده کنند.

موضوع بعدی درباره SSD، به طول عمر کارایی مؤثر آن برمی‌گردد. در گذشته، این باور اشتباه وجود داشت که طول عمر مفید حافظه‌های فلش کمتر از هارددیسک‌ها است، ولی امروزه ثابت شده طول عمر مفید SSD پنج سال است؛ در حالی که حافظه فلش MLC فقط چهار سال عمر می‌‌کند. اگر دوره تازه‌سازی سرور 36 ماه باشد، قالب حافظه‌های فلش بیشتر از این دوره عمر خواهند کرد و بنابراین دلیلی برای استفاده نکردن از آن‌ها در سیستم سروری یا مراکز داده وجود ندارد. 
همین دلایل باعث شده است رقابت شدیدی میان عرضه‌کنندگان SSD برای سرورها و مراکز داده به وجود آید و شرکت‌های بزرگی مانند سامسونگ، دل، اینتل، آی‌بی‌ام، سوپرمیکرو، سن دیسک، میکرون و مانند این‌ها، در دو سال اخیر چندین نوع حافظه فلش و SSD به طور اختصاصی برای استفاده در سرورها و مراکز داده وارد بازار کنند و هریک در تلاش باشند فناوری‌های پیشرفته‌ای را به کار بگیرند تا هم سرعت افزایش یابد، هم حجم فیزیکی کاهش پیدا کند، هم ظرفیت بیشتر شود و در نهایت قیمت تمام‌شده برای هر گیگا – دلار کمتر شود. 

چرا کارایی SSD بهتر از HDD است؟
کارشناسان شبکه‌های کامپیوتری و مراکز داده پذیرفته‌اند که در این حوزه و بازار، کارایی SSD بهتر از HDD بوده و بهتر است در تجهیزات ذخیره‌سازی، حافظه‌های رم، حافظه‌های فلش ابررایانه‌ها و حافظه‌های جانبی، از درایوهای SSD استفاده کنند. اما چرا کارایی SSD بهتر از HDD است؟
نخست اینکه SSD محدودیت‌های سیستم‌های RAID را پوشش می‌دهد. قالب کنترلرهای RAID در پیکربندی RAID 5 از نظر سرعت دچار تنگناهایی می‌شوند که درایوهای SSD این مشکل را برطرف می‌کنند. چون این درایوها سریع هستند و برای مثال چهار SSD در کنار یکدیگر می‌توانند خروجی برابر با 6/1 گیگابایت IOPS را ارائه کنند، بنابراین  از هر موتور کنترلر RAID XOR سریع‌تر هستند. در این شرایط، موتورهای RAID بهتر می‌توانند کارها را پیش ببرند و با کمک پردازنده‌ها، وقفه‌های رخداده را نیز رفع کنند. هنگامی که از درایوهای SSD در سیستم‌های ذخیره‌سازی استفاده می‌شود، بهتر است برای محافظت از اطلاعات، پیکربندی‌های RAID 1 یا RAID 10 انتخاب شوند.
دوم، اگر نیازهای ظرفیتی ذخیره‌سازی سرورها را در نظر بگیریم، متوجه خواهیم شد که درایوهای SSD در مقایسه با HDD انتخاب بهتری هستند. نرم‌افزارهای محک‌زنی نشان می‌دهند درایو SSD با ظرفیت 128 گیگابایت، در مقایسه با هارددیسکی با ظرفیت 500 گیگابایت و قیمت 150 دلار، کارایی بسیار بیشتری دارد. بنابراین، اگر نیازهای ظرفیتی ذخیره‌سازی سرور در حدود 128 گیگابایت است، دلیلی وجود نخواهد داشت که به سراغ خرید هارددیسک 500 گیگابایتی برویم. 

آینده
شرکت‌هایی مانند «اینتل» و «سامسونگ»، در حال توسعه حافظه‌های فلش 3D NAND هستند و در تلاشند ظرفیت ذخیره‌سازی روی Die را افزایش دهند. اینتل با همکاری میکرون توانسته است روی یک Die ظرفیت 48 گیگابایت، اطلاعات را با ساختار 32 لایه‌ای از سلول‌‌های 3D NAND ایجاد کند که در نتیجه آن شاهد عرضه درایوهای SSD حرفه‌ای با ظرفیت چندترابایت خواهیم بود. پیش‌بینی می‌شود در سال 2018 درایوهایی مناسب مراکز داده با ظرفیت‌های ده ترابایت ساخته شوند. از سوی دیگر، بازدهی هارددیسک‌های معمولی کمتر از حافظه‌های فلش NAND است و در راهکارهای ذخیره‌سازی مبتنی بر هارددیسک‌ها، در حال حذف شدن از سرورها و مراکز داده هستند. اما در برخی مراکز داده حجم‌های ذخیره‌سازی بسیار وسیعی با هارددیسک‌ها ساخته شده است که به این زودی‌ها امکان جایگزینی با حافظه‌های فلش NAND را ندارند. بر همین اساس، کارشناسان برآورد می‌کنند تا پنج سال آینده رویکرد استفاده هم‌زمان از هارددیسک‌ها و درایوهای SSD وجود داشته باشد تا درایوهایی با استفاده از حافظه فلش، اما در ظرفیت‌های بسیار بالاتر ساخته شود که بتوان آن‌ها را در سیستم‌های قدیمی بسیار گسترده به کار گرفت.

==============================

شاید به این مقالات هم علاقمند باشید:

نگاهی به SSDهای محبوب بازارهای جهان

راهنمای خرید و نصب درایوهای جامد

SSD یا HDD؛ تفاوت آن‌ها در چیست؟

بررسی جایگاه و ساختار درایوهای حالت جامد

سرعت، امنیت، ظرافت؛ مسئــله ایــن اسـت!

تراشه‌های سیلیکونی و حراست از صفر و یک‌ها

ماهنامه شبکه ۱۸۰ با پرونده ویژه درایوهای SSD منتشر شد

اینتل دو درایو SSD جدید معرفی کرد

9 ابزار جانبی USB-C برای سهولت بخشیدن به کارها

جدیدترین ذخیره‌ساز سینولوژی خوش قیمت

اینتل تولید عمده SSD جدید 800 گیگابایتی را آغاز کرد

سونی دیسک‌ جامد سری SLW-M را معرفی کرد