Eugene-NFS Zone oF GaMeS

Fusion-io ioDrive | Введение

На сайте Fusion-io компания обещает побить все рекорды производительности. Мы уже не раз видели подобные заявления, и правдой они становились лишь в редких случаях. Но спецификации устройства оказались довольно впечатляющими: пропускная способность чтения 700 Мбайт/с, более 100 000 операций ввода/вывода в секунду - это, фактически, ближе к производительности DRAM.

Fusion-io ioDrive | Флэш-память на PCI Express

Принцип звучит довольно просто: Fusion-io взяла карту расширения PCI Express, установила на неё флэш-память и мощный контроллер. В результате получился накопитель ioDrive, который нельзя, по сути, называть приводом или жёстким диском, поскольку он имеет мало отношения к традиционным вращающимся магнитным дискам. Fusion-io называет продукт флэш-кластером NAND, он был специально разработан, чтобы дать производительность на уровне DRAM. Фактически, ioDrive и нельзя использовать в качестве привода: он подключается через PCI Express, поэтому загрузить операционную систему вы с него не сможете. По крайней мере, сегодня, поскольку Fusion-io сообщила нам, что работает над этой проблемой...

В сфере настольных ПК сценариев для подобного продукта немного; как вы понимаете, он был разработан для высокопроизводительных серверов. Конечно, вы сможете установить накопитель в любой настольный компьютер, если у него есть слот PCI Express x4 или больше, но подумайте, найдёте ли у вы приложения, которые смогут его нагрузить? Когда мы впервые получили образец, то были ограничены поддержкой только Linux, но на данный момент уже некоторое время доступны 64-битные драйверы под Windows. Но 32-битных драйверов нет до сих пор.

Fusion-io ioDrive | Идеальный флэш-накопитель?

Сразу же скажем, что как приведённые производителем спецификации, так и измеренные нами значения производительности более, чем впечатляющие. Причём мы имеем в виду не многие сотни мегабайт в секунду пропускной способности, поскольку с этим справляются и быстрые жёсткие диски в массивах. Прежде всего, мы подразумеваем большое число операций ввода/вывода в секунду, что критично для систем с непрерывным доступом к данным, которые зависят от производительности ввода/вывода. Подумайте о банковских транзакциях, прогнозах погоды, сейсмическом анализе, ускорителях частиц, крупных торговых сетях... О всём, что требует доступа или хранения большого объёма данных в виде множества небольших блоков, и что может серьёзно выиграть от существенного увеличения производительности ввода/вывода.

Мы не знаем о том, существуют ли твёрдотельные накопители, валидированные для подобных серверных нагрузок; у Fusion-IO есть существенное преимущество, поскольку ioDrive первым получил обозначение IBM "ServerProven". Другими словами: IBM будет использовать накопитель в сценариях "business critical", что может стать существенным шагом вперёд в областях науки или бизнеса.

Fusion-io ioDrive | Fusion-io ioDrive в деталях

Накопитель FusionIO состоит из платы x4 PCI Express, контроллера флэш-памяти и нескольких банков высокопроизводительной флэш-памяти. 80- и 160-Гбайт версии базируются на одноуровневой флэш-памяти (single level cell, SLC) а топовая 320-Гбайт модель использует многоуровневые ячейки (multi-level cell, MLC). Производительность чтения и записи у всех моделей аналогична и составляет 700 Мбайт/с для чтения и 500-600 Мбайт/с для записи. Однако производительность ввода/вывода существенно зависит от используемого типа флэш-памяти. 320-Гбайт накопитель на MLC ограничен по производительности от 60 000 до 79 000 случайных операций ввода/вывода (блоки по 4 кбайт), а два других накопителя могут давать свыше 100 000 операций ввода/вывода в секунду. Все эти числа приведены в спецификациях.

Fusion-io ioDrive | Функции и ограничения

Алгоритм выравнивания степени износа Fusion-io базируется на ежедневных объёмах 5 Тбайт записи/стирания, что даёт время работы 24 года для 80-Гбайт модели, 48 лет для 160-Гбайт накопителя и 16 лет для 320-Гбайт накопителя на MLC. Однако порог в пять терабайт записи/стирания можно превысить довольно быстро, учитывая высокий уровень производительности, поэтому мы бы не стали всецело полагаться на такие расчёты.

Как мы уже упоминали выше, карта является устройством хранения, но полноценным приводом её не назовёшь, поскольку загрузка с карты невозможна. Карта изготовлена в низкопрофильном формате PCIe, то есть её можно установить во многие серверы высотой 2U или даже в серверы 1U с помощью riser-карты. После установки драйверов вы можете использовать карту как любой другой накопитель в системе. На нём можно создавать разделы и форматировать, можно даже организовать программный массив RAID, используя возможности операционной системы. В таком случае производительность можно ещё сильнее улучшить.

Fusion-io ioDrive | Управление

Fusion-io прилагает небольшую утилиту для управления и форматирования накопителя: IoManager. Она отображает всю информацию о состоянии, а также позволяет включать или отключать ioDrive, форматировать накопитель на низком уровне и обновлять прошивку. Во время наших тестов мы два раза обновляли прошивку, остановившись на версии 14071, на которой мы проводили все наши тесты. Утилиту необходимо запустить только один раз, однако при этом она позволит вам принять решение: есть три режима, которые позволяют выиграть в производительности за счёт снижения ёмкости. В следующей таблице показан пример на основе 80-Гбайт накопителя.

В режиме максимальной ёмкости можно использовать полные 80, 160 или 320 Гбайт, а режим улучшенной производительности записи будет распределять данные для увеличения скорости. Если вы его выберите, то потеряете 50% ёмкости. Третий режим распределяет данные по трём областям, что даёт ещё более высокую производительность записи.

Fusion-io ioDrive | Надёжность и первые результаты

Мы уже упоминали заявления производителя о надёжности работы накопителя: Fusion-io обещает работу в течение 24 лет для модели начального уровня 80 Гбайт при 40% рабочем цикле и 5 Тбайт записанной/стёртой информации в день. Однако при интенсивной нагрузке на накопитель достичь указанных 5 Тбайт можно довольно быстро. Нагрузка, подобная тесту IOMeter, фокусирующегося на операциях записи, может привести к износу намного быстрее, поэтому мы рекомендуем быть осторожными. Как и в случае других накопителей, нужно обеспечивать регулярное резервирование, что не так проблематично из-за относительно невысокой ёмкости ioDrive.

Fusion-io ioDrive | Производительность записи

Мы провели тесты всех трёх режимов производительности: с максимальной ёмкостью, с улучшенной производительностью записи за счёт 50% ёмкости и с максимальной производительностью записи при 30% ёмкости от номинала. Мы обнаружили, что в некоторых тестах улучшенный режим производительности записи фактически её удваивает. Однако режим максимальной производительности записи не даёт существенного прироста. Если вы не уверены насчёт выбора режимов, то проведите ряд тестов на вашей системе.

Fusion-io ioDrive | Производительность ввода/вывода и пропускная способность

Производительность флэш-памяти существенно зависит от контроллера памяти, которому нужно учитывать характеристики памяти типа SLC и MLC. "Умные" контроллеры оптимизируют операции записи, снижая количество фактических записей в память, они отвечают и за усиление записи (write amplification). Флэш-накопители используют блоки данных, они определяют минимальное количество данных, которое можно записать в память. Например, запись 2 кбайт данных может потребовать запись блока на 128 кбайт, хотя это совсем не нужно.

Большинство контроллеров флэш-памяти настраиваются на сценарий нагрузки, то есть производительность может существенно снизиться, если вы переключитесь с интенсивной случайной нагрузки ввода/вывода с небольшими блоками на последовательное чтение или запись. Мы это также проверили, и действительно обнаружили падение пропускной способности после интенсивной нагрузки ввода/вывода. Но Fusion-io смог довольно быстро перестроить производительность (хотя и не мгновенно). В то же время мы хотим подчеркнуть, что вряд ли кто-то будет покупать ioDrive для последовательных операций записи или чтения: жёсткие диски в данном случае намного дешевле.

Fusion-io ioDrive | Тестовая конфигурация

Мы сравнили накопитель Fusion-io с другими популярными SSD на основе SLC, такими как 3,5" Mtron Pro 7500 и 64-Гбайт Samsung 64, причём последний работал как по отдельности, так и в режиме RAID 0 для повышения производительности. Мы не включили в тесты накопитель Intel X25-M и другие SSD, поскольку они построены не на памяти SLC, и даже не нацелены на корпоративную сферу. Но если интересно, вы можете посмотреть их производительность в следующих статьях.

• "Intel X25-M: самый быстрый твёрдотельный накопитель в мире";
• "Тест SSD: 14 твёрдотельных накопителей";
• "Тест SSD в серверах: RAID-массив из восьми твёрдотельных накопителей".

Fusion-io ioDrive | Результаты тестов

Fusion-io ioDrive | Время доступа

Время доступа, вероятно, интересно меньше всего, но в данном отношении новинка Fusion-io заметно обходит SSD-накопители Samsung и Mtron на флэш-памяти.

Fusion-io ioDrive | Пропускная способность интерфейса

Тест пропускной способности интерфейса показывает максимальную скорость, измеренную с помощью утилиты h2benchw 3.6, которая использует операции чтения/записи по 128 кбайт. С блоками по 512 кбайт можно получить более высокую пропускную способность и теоретически приблизиться к значениям, заявленным Fusion-io.

Fusion-io ioDrive | Пропускная способность последовательного чтения и записи

Пропускную способность последовательного чтения мы тоже измеряли с помощью h2benchw. Впечатляюще наблюдать, что 64-Гбайт SSD Samsung смог выжать только 92 Мбайт/с, а Mtron Pro 7500 - 117 Мбайт/с. Конфигурация RAID 0 на двух накопителях Samsung смогла выдать в два раза больше пропускной способности до 186 Мбайт/с. Однако ioDrive оказался в три раза быстрее, добравшись до уровня 576 Мбайт/с. Разница между режимами с максимальной ёмкостью (80 Гбайт), улучшенной производительностью записи (40 Гбайт) и максимальной производительностью записи (27 Гбайт) оказалась всего 40 Мбайт/с.

Производительность записи определённо ниже, но ioDrive всё равно справился великолепно.

Fusion-io ioDrive | Производительность файлового сервера и рабочей станции

Посмотрите на результаты: ioDrive смог выдать больше 10 000 операций ввода/вывода в секунду под нагрузкой файлового сервера. Если переключиться в режим улучшенной производительности записи, то вы получите практически удвоение результата при высоких значениях очереди команд, когда контроллер может оптимизировать операции и распределять запись по двум участкам накопителя. Максимальный режим производительности записи не приводит к существенному приросту скорости. Отрыв от SSD в одиночном режиме и в RAID 0 весьма существенный.

Мы привели среднюю пропускную способность, которую показа накопитель ioDrive во время тестового прогона IOMeter в сценарии файлового сервера. Флэш-накопители Mtron и Samsung остаются на уровне ниже 10 Мбайт/с, а Fusion-io обеспечил 125 Мбайт/с при полной ёмкости и ещё больший результат при переходе в режим улучшенной производительности записи.

Результаты в сценарии рабочей станции схожие. Максимальное число операций ввода/вывода заметно увеличивается при переходе в режим улучшенной производительности записи. Но и в стандартном режиме (максимальная ёмкость) мы получаем от 12 000 до 16 5000 операций ввода/вывода в секунду.

Опять же, мы привели результаты средней пропускной способности теста IOMeter в сценарии рабочей станции. Результаты ещё более впечатляющие - в пользу ioDrive, конечно.

Fusion-io ioDrive | Производительность web-сервера и сервера баз данных

Нагрузка ввода/вывода web-сервера предусматривает, по большей части, операции чтения, поэтому SSD показали себя здесь лучше, достигнув уровня больше 6000 операций ввода/вывода в секунду. Однако Fusion-io всё равно в три раза быстрее.

Сценарий базы данных предусматривает большое число операций чтения и записи, которые сложно предсказать. Поскольку режим улучшенной производительности записи может распределять операции записи между двумя участками, то он хорошо показывает себя при увеличении глубины очереди команд. Впрочем, даже в режиме с максимальной ёмкостью накопитель во много раз быстрее других SSD.

По сравнению с другими сценариями средняя пропускная способность тоже чуть ниже из-за смешанных операций чтения и записи с небольшим размером блока. Однако ioDrive всё равно оказывается вплоть до 100 раз быстрее в данном типе приложений. Представьте себе, насколько он обгонит традиционные жёсткие диски?

Fusion-io ioDrive | Пропускная способность после операций ввода/вывода

Как мы уже упоминали, мы измерили пропускную способность после выхода из теста IOMeter, причём мы последовательно проводили все четыре тестовых сценария. Мы запускали тест последовательных чтения/записи пять раз, чтобы посмотреть, вернётся ли пропускная способность к максимальному уровню.

Полная ёмкость (80 Гбайт)

Запуск интенсивной нагрузки ввода/вывода напрямую влияет на последовательную пропускную способность: первый тест h2bench2 дал половину от минимальной и средней пропускной способности, а также сниженную максимальную пропускную способность. Производительность быстро увеличилась, но мы не получили максимум даже после пяти тестовых прогонов.

Влияние переключения нагрузки с высокого числа операций ввода/вывода на последовательную запись оказалось ещё более сильным. Производительность ioDrive очень сильно упала во время первого прогона, мы получили минимальную пропускную способность всего 34 Мбайт/с и пиковую - 174 Мбайт/с. Средняя пропускная способность 68 Мбайт/с разочаровывает. Потребовалось три тестовых прогона, прежде чем производительность вернулась до высокого уровня, хотя так и не добралась до изначального значения чуть ниже 400 Мбайт/с.

Режим увеличенной производительности записи (40 Гбайт)

Давайте посмотрим на результаты, полученные в режиме с увеличенной производительностью записи.

Увеличенный режим производительности записи, который снизил доступную ёмкость на 50%, повёл себя совершенно иначе. Пропускная способность чтения не упала так сильно, как в режиме с максимальной ёмкостью после перехода от интенсивных нагрузок ввода/вывода к последовательному чтению/записи.

Результат для производительности записи выглядит схоже, мы наблюдаем заметное улучшение производительности по сравнению с режимом с максимальной ёмкостью.

Fusion-io ioDrive | Заключение

Fusion-io выполнила впечатляющую работу, поскольку перед нами первый накопитель на флэш-памяти, который даёт просто революционную производительность. Забудьте всё, о чём вы знали: данный накопитель быстрее. Хотя мы в тестах не смогли получить такую же производительность, какая указана в спецификациях Fusionio, пропускная способность 500 Мбайт/с и число операций ввода/вывода в секунду больше 40 000 во много раз превышают возможности жёстких дисков, RAID-массивов и даже существующих решений SSD.

ioDrive - это не классический привод, поскольку накопитель подключается через x4 PCI Express. Благодаря этому достаточно прямому интерфейсу, ioDrive обеспечивает в несколько раз большую пропускную способность интерфейса, чем Serial Attached SCSI или SATA. Кстати, именно по этой причине SSD не очень активно проникают в корпоративную сферу: сегодня доступны только модели SATA, да и надёжность остаётся весьма острым вопросом - проверить её можно только временем.

Возможно, для кого-то станет аргументом, что IBM решила использовать ioDrive в корпоративных серверных продуктах. Данная валидация является первой подобного рода. Производители жёстких дисков по-прежнему очень консервативно подходят к выпуску SSD-накопителей на флэш-памяти для high-end рынка, поскольку они и их клиенты не всегда доверяют надёжности флэш-памяти. Мы не можем сделать однозначного заключения тоже, но Fusion-io продаёт ioDrives по приемлемым ценам (максимум несколько тысяч долларов), так что перед нами весьма привлекательное устройство, учитывая продуманный дизайн и возможность работы в режиме RAID, чтобы обезопасить хранимые данные.

Конечно, вы не можете менять PCI Express ioDrive "на лету", да и возможность загрузки пока не поддерживается. Да и производительность зависит от выбранной ёмкости. Но в данном случае вы получите за уплаченные деньги намного больше, чем в случае других SSD на флэш-памяти. Можно даже отказаться от целых массивов накопителей после перехода на ioDrive. Мы даже не стали включать жёсткие диски в результаты тестов, поскольку на графике производительности ввода/вывода они вряд ли были видны вообще.

Вполне очевидно, что подобное решение даёт как прирост производительности, так и серьёзную экономию энергии. Мы ждём появления модифицированных накопителей ioDrive, которые могут получить возможность загрузки операционной системы. Итог таков: если вам нужно высокопроизводительное хранилище для нагруженных серверов, то к ioDrive стоит присмотреться.