Is enterprise SSD iets voor uw bedrijf?

Servers hebben doorgaans iets meer ruimte dan een gemiddelde laptop, maar wat gebeurt er met de SSD’s? In welke opzicht verschillen Enterprise SSDs van deze voor eindgebruikers? We bekijken uiteraard ook hun prestaties. Tot slot gaan we nog één stap verder: we bekijken ook het stroomverbruik.

Technisch inzicht

Intussen is bekend dat SSDs een beperkte levensduur hebben. De oorzaak hiervan ligt vooral in het feit dat het kleinste onderdeel, de NAND geheugencel, slechts een beperkt aantal keer beschrijfbaar is. Voor SLC (Single Level Cells) is dat 100 000 keer, voor MLC (Multi Level Cells) is dat ongeveer 10 000 keer. Tegenwoordig gebruikt bijna iedere SSD het MLC type.

Via algoritmes wordt hun levenseinde zo lang mogelijk uitgesteld, cellen worden zo weinig mogelijk gewist enzovoort. Voor de professionele markt moeten SSDs echter een gegarandeerde levensduur hebben en liefst eentje die zo hoog mogelijk ligt. Schijven die slechts 3 of 5 jaar meegaan, zoals in de consumentenwereld, liggen niet in de verwachting van veel bedrijven.

De oplossing was dus eerst om het SLC-type te gebruiken, dergelijk type is niet alleen duurzamer maar ook sneller. Het is echter ook een stuk duurder en vooral: veel kleiner in capaciteit. Per SLC cel is 1 bit op te slaan, per MLC cel is dit 2 bits. Ook in de enterprise wereld is de trend nu om MLC cellen te gebruiken, zij het speciale eMLC cellen (iets hoger voltage, iets betere kwaliteit).

Het grootste verschil, en de hoofdreden om levensduurgaranties te kunnen geven, is eigenlijk het gebruik van reserve cellen. Er wordt tot 20% of meer van de SSD capaciteit opgegeven, zodat deze niet zichtbaar en bruikbaar is voor het besturingssysteem. Maar wel voor de controller van de SSD. Op die manier heeft het (zogenaamde Wear Leveling) algoritme meer speelruimte.

Het overzicht:
Voor dit artikel hebben we recentere schijven genomen van diverse fabrikanten. De ene al wat bekender dan de andere:
– Intel 710 Series – 200GB
– Intel 510 Series – 120GB
– Intel X25-E Series – 32GB
– Intel X25-E Series – 64GB
– Pliant Lightning LB400M – 400GBPliant Lightning LS150S – 150GB
– OCZ Talos TCSAK352 – 200GB
– OCZ Talos TCSAK352 – 230GB
– OCZ Deneva R DRSAK251M2X – 100GB
– OCZ Deneva 2 C DC2STK251A10 – 240GB
– Micron P300 – 100GB
– Toshiba MK1001GRZB – 100GB
– FusionIO ioDrive Mono – 320GB

OCZ is goed vertegenwoordigt met maar liefst 4 verschillende SSDs. De Talos-serie is een stuk hoger geplaatst dan de Deneva-serie. De Talos heeft dan ook doorgaans een SAS (6Gbps) interface, terwijl (de nieuwere) Deneva’s uitgerust zijn met een SATA (6Gbps) interface. Bij beide heb je de keuze uit een R of een C- type. R staat voor reliability (betrouwbaarheid) en heeft doorgaans veel meer reserve ruimte. C staat voor commercial en zou iets sneller moeten zijn.

Pliant is een eerder onbekend merk, hun schijven worden dan ook doorgaans niet verkocht, maar ze leveren wel aan een aantal OEM partners zoals Dell. Ze slagen erin om in een 2.5” schijf tot 400GB te duwen, ze doen dit door maar liefst 3 printplaten in één schijf te duwen. Toch blijft deze een standaarddikte van 15mm behouden.

We hebben vrij recente Intel SSDs (710 en 510 serie) en ook de oudste generatie (X25-E).

Micron kennen we nog uit een vorig artikel waar ze heel goed scoorden. Tot slot hebben we een (zware) SSD schijf met de naam Toshiba op. Toshiba maakt zelf de geheugenchips, maar gebruikt een Marvell controller. Er zitten ook hier meerdere printplaten in één schijf. Het speciale aan de Toshiba schijf is echter de aanwezigheid van LIPO batterijcellen. Hierdoor kan deze schijf zijn cache-geheugen veel efficiënter gebruiken en daardoor zelfs aan write caching doen.
Tot slot het buitenbeentje: de PCI-E insteekkaart. Ook deze namen we mee uit een vorig artikel.

De benchmarks

We gebruiken een Westmere EX system met x16 PCI-E 2.0 and 128GB of RAM. Als RAID controller namen we de LSI MegaRAID SAS 9265-8i Controller, Write Through en zonder read ahead. De special LSI FastPath optie voor SSDs werd ingeschakeld.
We installeerden Windows 2008 R2 Enterprise en testen enkele scenarios met de standaard tool IOMeter v. 2006.07.27. Er werd geen partitie aangemaakt, noch formatteren, zo voorkomen we eventuele bestandssysteem problemen.

De resultaten:

Indien we de doorvoersnelheid in IOs per seconde (IOPS) willen weten, hoeven we bovenstaande nummers slechts te delen door de blokgrootte (64K) in dit geval. Voor de Intel 510 zou dit uitkomen op bijna 6800 IOPS. Als we kleinere blokgroottes (zie later) gebruiken, zullen ook de IOPS stijgen.
Sequentieel lezen is het meest positieve scenario voor een SSD, doordat het sequentiële data is kan een SSD op den duur bijna voorspellen welke data opgevraagd zal worden en heeft de controller dus minder werk. Toch zijn dit geen cijfers die ons doen duizelen, met uitzondering misschien van de ioDrive. Toch is dit nog steeds een stuk sneller dan traditionele schijven én professionele schijven zitten zelden alleen in een server. Meestal is er sprake van een array van schijven.
 
Hoe reageren de schijven op de zwaarste der tests: het sequentieel schrijven:

Schrijven op een SSD is een combinatie van een lees en schrijfactie en bovendien moet de controller continu berekenen waar hij het volgende stukje data zal plaatsen. Schrijven is dus altijd een heel stuk trager dan lezen. Al valt dit, wederom in vergelijking met traditionele schijven, goed mee.
We zien wel een kleine trend ontstaan: onderaan de resultatentabel bengelt de Pliant LB400M, dit is misschien een onbekend merk, maar het is wel de leverancier van Dell systemen. In de meeste Dell Equallogic storage systemen zitten dus Pliant SSDs.
De meest realistische (bedrijfs-)workload is het willekeurig lezen en schrijven van data:

Hier scoort Toshiba verdacht goed, de caching algoritmes doen hun werk. Dankzij de grote batterijen hoeft de controller geen garantie te hebben dat de data op de NAND-flash cellen staat, bij een uitval blijft de (ongeschreven) data in het RAM geheugen aanwezig om dan later weggeschreven te worden. Tot slot geven we ook nog de reactie tijd mee van dit laatste scenario. Hoe lager hoe beter uiteraard.

We zien hier ongeveer het omgekeerde beeld van de doorvoer-cijfers. Uitzonderlijk slecht scoort hier de kleine Pliant LB400M, met 818 microseconden reageert deze gemiddeld het traagst. Dit is echter wel nog steeds gevoelig sneller dan om het even welke gewone schijf (ong. 3000 microseconden).

Verbruik

Solid State Drives hebben geen bewegende elementen meer, slechts één (of meerdere) printplaat met een aantal chips en controllers op. Hier en daar een batterij die het verbruik wat kan verhogen, maar over het algemeen verwachten we toch minder verbruik dan een standaard schijf. Zeker bij het starten.
Om de metingen realistisch uit te voeren is toch een kleine kunstgreep nodig. Als we, zoals gewoonlijk, de volledige server meten kunnen we de kleine verschillen bij de schijven er onmogelijk uithalen.

Daarom grepen we terug naar iets een “andere” soort van meting; we knipten de draden door die naar de SATA Connector gingen en plaatsten een goede multimeter (Fluke 175 True RMS) ertussen. Zo maten we dus vrij nauwkeurig de stroomsterkte en konden we een goed beeld krijgen van het verbruik van de schijven.

We noteerden het verbruik op zowel de 12V als de 5V rail (3,3V wordt zelden tot nooit effectief gebruikt door harde schijven) en we kwamen meteen tot een eerste constatatie:
de 12V rail wordt door vele SSD-schijven niet gebruikt. Enkel de grote Pliant en de Toshiba (wellicht omdat ze onboard batterijen en/of meerdere printplaten bevatten) gebruiken de 12V spanning. Er is zelfs een gewone harde schijf die de 12V aansluiting links laat liggen: een gewone 500GB laptop harde schijf.
 
Verder maten we het verbruik bij het opstarten, het gewoon draaien (meting 5 min. na het opstarten) en tot slot één meting bij de zware initialisatie test (128KB willekeurig schrijven).
We voegden ook enkele gewone schijven toe:
– 2,5” Server SAS schijf (ST936701SS)
– 2,5” HP SAS schijf (MM0500FAMYT)
– 3,5” WD Green SATA schijf (WD1000FYPS)
– 3,5” WD SATA schijf (WD2500YS)
– 3,5” Server SAS schijf (ST3300G57SS)

Onze vermoedens worden voor het grootste gedeelte bevestigd: zowel naar opstarten, idle als grootste verbruik toe, doen de SSD-schijven het een stuk beter dan de gewone schijven. HDDs pieken uitzonderlijk hoog bij het starten, deze piek duurt echter slechts enkele milliseconden en telt dus niet mee voor eventuele energie-berekeningen. Ook sommige SSDs (en dan vooral die met batterijen) kennen een dergelijke opstart-piek, maar deze is een stuk lager.

SSDs verbruiken inderdaad gemiddeld 65% minder stroom dan een harde schijf (idle & in gebruik), en dit zonder opstartpieken, toch kunnen we iets zeer interessants opmerken:
Het verschil tussen niets doen en “werken” is echter proportioneel hoger bij SSDs.

Als de HDDs iets doen verbruiken ze gemiddeld 31% meer dan hun idle toestand. Als de SSDs iets doen verbruiken ze gemiddeld 120% meer dan hun idle toestand.
 
Conclusie

Enterprise SSD schijven zijn doorgaans een heel stuk duurder dan de SSDs voor eindgebruikers, toch krijg je hier geen extra performantie terug. Integendeel, SSDs voor eindgebruikers zijn doorgaans een heel stuk sneller, zowel bij het lezen als het schrijven.

Hét voordeel bij Enterprise schijven zit hem vooral in de garantie en levensduur. Twee dingen die voor bedrijven uiteraard van levensbelang zijn. Laat het wel duidelijk zijn: Enterprise solid state schijven zijn nog steeds een heel stuk sneller dan gewone (SAS-) schijven. Vooral in Enterprise workload, met combinaties van lezen en schrijven bij kleine blokgroottes en waar ook reactietijd zeer belangrijk is, zijn de geteste schijven zeker niet slecht. Er is echter helemaal geen snelheidsvoordeel tegenover de SSDs bedoeld voor laptops en desktops.
 

Qua verbruik kloppen de vooroordelen wel, al moeten we erbij zeggen dat bepaalde Enterprise SSDs batterijen bevatten of zodanig veel printplaten dat het verbruik zeer zeker in de buurt komt van gewone harde schijven.

Over het algemeen is er zeker nog vooruitgang mogelijk, de gedroomde snelheden van 500MBps zijn in geen omwegen te bespeuren. Maar dat is bij Enterprise solid states niet de bedoeling; deze draaien meestal in een RAID omgeving waar algauw hogere snelheden gehaald worden door meerdere schijven tegelijk te gebruiken. Afzonderlijk scoren ze vooral op duurzaamheid en betrouwbaarheid.