Yhä useammassa yrityksessä data tallennetaan jo flash-pohjaisille SSD-levyille. Yritystason eSSD-levyt tuovat monia etuja: nopeuden, suorituskyvyn, pienen sähkönkulutuksen, luotettavuuden ja hyvän tietoturvan.

Artikkelin kirjoittaja Paul Rowan vastaa Toshiba Electronics Europella SSD-tallennustuotteista. Paulilla on tallennus-, verkko- ja puolijohdetuotteista yhteensä 24 vuoden kokemus. Toshiballa on työskennellyt yli 10 vuotta. Toshiban SSD-markkinointitiimiä Paul on vetänyt huhtikuusta 2012 alkaen.

Yrityspalvelimet ja tallennusjärjestelmät kehittyvät ja yhä enemmän painoa pannaan nopeudella, vasteajalle ja viivelle aika-kriittisissä bisnessovelluksissa. Yritysmaailmassa palvelimen vasteajasta on tullut yhä tärkeämpi tekijä: se voi dramaattisesti vaikuttaa liiketoimintaan, oli kyse sitten datan tehokkaasta hausta yritysverkosta tai vaativista osakekauppajärjestelmistä.

Vaikka suurin osa digitaalisesta datasta on yhä tallennettu perinteisillä kiintolevyillä (HDD), NAND-pohjaiset kiintolevyt eli SSD:t tuovat houkuttelevia etuja kuten nopeammat datan hakuajan ja alhaisemman tehonkulutuksen.

SSD-levyistä on nopeasti tullut läppärien ja pöytäkoneiden suosituin tallennusväline nopeutensa ja suorituskykynsä takia. Suurikapasiteettisten levyjen korkea hinta tarkoittaa, että joissakin tapauksissa kuvia ja videoita tallennetaan toissijaisesti mekaanisille kiintolevyillä.

Kuten mekaaninen veljensä, kuluttajatason SSD-levyt eivät soi kovin hyvin yrityskäyttöön koska niissä vaaditaan erittäin nopeaa datan kirjoitusta, hakua ja poistoja samalla, kun toiminnan pitää olla hyvin luotettavaa. Näiden rajoitusten ylittämiseksi SSD-valmistajat ovat kehittäneet yritystason eSSD-levyjä (enterprise SSD) vastatakseen vaativiin ehtoihin ja ohittaakseen hakuaikojen pullonkaulan, joka perinteisiä yritysten tallennusjärjestelmiä hidastaa (ks. kuva 1).

Kuva 1. Tallennusjärjestelmien eri tasot.

Suorituskyky

SSD-levyn luku- ja kirjoitusnopeus riippuu monista tekijöistä, kuten ohjaimen arkkitehtuurista, firmware-algoritmeista, virheenkorjauskoodeista, joilla taataan datan eheys, sekä NAND-piirien kirjoitus-, luku- ja poispyyhintänopeuksista.

Jotta NAND-piireihin päästäisiin käsiksi useita rinnakkaisia kanavia pitkin, vaaditaan perinteisiin HDD-levyihin verrattuna erittäin nopeita datatapahtumia. Lisäksi ominaisuudet kuten lokipohjaiset algoritmit, ylivaraaminen ja Unmap/TRIM-komennot jotka kertovat SSD-levylle, mitä lohkot eivät enää ole käytössä ja voidaan pyyhkiä, vaikuttavat kaikki suuresti datankirjoituksen suorituskykyyn.

Nykyaikaisten SSD-levyjen nopeuden ansiosta liitäntä voi usein olla rajoittava tekijä. SATA-liitäntä (Serial Advanced Technology Attachment) on käytetyin kulutuslaitteissa ja keskiluokan palvelimissa edullisen hintansa ja helpon toteutettavuutensa ansiosta. SATA-liitäntää kuitnkin rajoittaa tällä hetkellä join kuuden gigabitin maksiminopeus (6 Gbit/s).

Sen sijaan SAS-väylä (Serial Attached Small Computer System Interface [SCSI]) mahdollistaa täysin kaksisuuntaiseen pisteestä-pisteeseen -yhteyden jopa 12 gigabitin sekuntinopeudella, joten se on monen yrityksen palvelinjärjestelmän itseoikeutettu valinta. Moniin kuluttaja- ja yritystason SSD-levyihin saa nyt myös PCIe-liitäntää (Peripheral Component Interconnect express), jolla saa jopa 8 gigabitin siirtonopeuden linjaa (lane) kohti, mutta PCIe:n etuna on tuki monilinjaisille liitännöille, jotka entisestään parantavat suorituskykyä. Tämän ominaisuuden ansiosta PCIe-pohjaiset SSD-levyt ovat lisäämässä suosiotaan välimuistisovelluksissa sekä palvelimissa että kiihdytinkorteilla.

NAND-tyypit, kuluminen ja ylivaraaminen

NAND-piirien hinta muodostaa merkittävän osan sekä kuluttaja- että yritystason SSD-levyjen hinnasta. Siksi piirien bittitiheyttä onkin ytiettty lisätä monin eri tavoin.

Sen jälkeen kun Toshiba esitteli NAND-tekniikan vuonna 1984, valmistusprosessi on kutistunut 700 nanometristä 19 nanometriin. Uusien solukerrostekniikoiden myötä NAND-piirien bittitiheys on kasvanut yli 2000-kertaiseksi. Bittitiheyden kasvu on alentanut dramaattisesti gigatavun hintaa, joka on pienentynyt jopa bittitiheyden kasvua nopeammin.

Vaikka NAND-piirien viivanleveys kutistuu edelleen - Toshiba ilmoitti vastikään kehittävänsä 15 nanometrin tuotantoprosessia - solujen kutistuessa niiden kestävyys ja luotettavuus alkavat heikentyä. Tämän ratkaisemiseksi on kehitetty NAND-soluja, joihin voi talentaa useita bittejä. SLC-muistisoluun ( single level cell) voidaan tallentaa yksi bitti, MLC-soluun (multi-level cell) kaksi bittiä ja TLC-soluun (triple level cell) kolme bittiä. Eri rakenteet kuitenkin vaikuttavat kirjoitus- ja päällekirjoitus- eli poistosykleihin: SLC kestää noin satatuhatta sykliä, MLC viisituhatta ja TLC tuhat kirjoitus/pyyhintäjaksoa.

Kuva 2. Erityyppisten NAND-muistien kestävyyden vertailu.

Yritystason SSD-levyissä käytetään nyt yleisesti SLC- ja MLC-tyypin NAND-piirejä, koska niiden pitää kestää jatkuvaa kirjoitusta ja datan poispyyhintää. MLC- ja TLC-siruja löytyy kuluttajille myytävistä SSD-levyistä, joissa kirjoitusnopeus ja gigatavun hinta ovat nousseet tärkeimmiksi kuluttajan käyttäytymistä ohjaaviksi tekijöiksi.

Koska NAND-muistilohkot voivat ikääntyä ja kulua, jokaiseen NAND-muistipaikkaan asetetaan kirjoitussyklien yläraja. NAND-ohjaimiin pitää myös kirjoittaa ”kulumista tasaavia” algoritmeja, jotta varmistetaan muistipaikkojen tasainen hyödyntäminen.

Muistin ylivaraaminen, tai ylimääräisen käyttäjän käyttämättömissä olevan muistin määrä vaikuttaa myös SSD-suorituskykyyn. Tämä johtuu siitä, ettei SSD voi ylikirjoittaa olemassaolevaa sisältöä. Sen sijaan NAND-muistista täytyy pyyhkiä pois kokonaisia lohkoja ennen kuin uusia sivuja voidaan kirjoittaa. Ylivaraamisen osuus voi vaihdella kuudesta prosentista jopa yli 150 prosenttiin siitä riippuen, mihin sovellukseen levy on suunniteltu.

Virheen havaitsemis- ja korjaus-tekniikat

Kun NAND-siruissa siirrytään yhä pienempiin geometrioihin, tarvitaan enenevässä määrin virheiden havaitsemista ja korjaamista, jotta datan eheys voitaisiin säilyttää. ECC-tekniikoista (Error Correction Code) on tullut yhä edistyneempiä säilyttämään ihanteellisen suorituskyvyn ilman että datan eheys kärsisi.

NAND-muistin varhaiset sukupolvet hyödynsivät Hamming-koodaustekniikoita, jotka olivat riittävän yksinkertaisia ohjelmistopohjaisiin toteutuksiin. Viivanleveyksien kutistuessa tarvittiin tehokkaampia virheenkorjaustekniikoita, kuten Reed-Solomon -koodeja, BCH-koodeja ja LDPC-tarkistusta (low-density parity-check). Mutta mitä enemmän virheenkorjausta tarvitaan, sitä enemmän kuluu tehoa ja aikaa prosessointiin.

Tämän ratkaisemiksi valmistajat ovat kehittäneet uusi metodeja datan eheyden varmistamiseksi. Esimerkiksi Toshiba on kehittänyt QSBC-tekniikan (Quadruple Swing-By Code), joka on hyvin tehokas suoja lukuvirheitä vastaan.

Suoja sähkökatkoksia vastaan

IDC-tutkimuslaitoksen mukaan englantilaisen tuhannen työntekijän tuotantolaitoksen pysähtyminen tunniksia maksaa 132 000 dollaria. 5000 työntekijän laitoksessa kustannus kasvaa 570 000 dollariin. Vaikka järjestelmän pysähtyminen kokonaan on harvinaista, tallennusongelmat voivat heikentää suorituskykyä, johtaa suunnittelemattomiin huoltoihin ja lisätä tallennusjärjestelmän kokonaiskustannuksia. Tuoreen IDC:n tutkimukseen mukaan vain 19 prosentti yrityksistä kestäisi enemmän kuin muutaman tunnin pysähdykset vuodessa.

Kriittisiin operaatioihin varattujen yrityspalvelinten ja tallennusjärjestelmien täytyy toimia aina (zero-down time) ja sähkökatkon sattuessa niiden pitää varmistaa ettei dataa kadoteta. Yritystason SSD-levyt suunnitellaan suojaamaan ja säilyttämään kaikki NAND-siruilla oleva data sekä kaikki data, jota ollaan kirjoittamassa levylle sähkökatkoksen sattuessa. Tämä onnistuu lisäämällä SSD-levyille superkondensaattoreita, jotka automaattisesti syöttävät riittävästi sähkövirtaa levylle, jotta datan prosessointi ja kirjoitus saataisiin valmiiksi.

Kuva 3. Yritystason SSD-levyt on suunniteltu suojaamaan ja säilyttämään kaikki NAND-siruilla oleva data sekä kaikki data, jota ollaan kirjoittamassa levylle sähkökatkoksen sattuessa.

Salaus

Datavarkaudet ovat aiheuttaneet useita pr-painajaisia, joiden jälkeen on noussut kysymys siitä, tekevät valmistajat tarpeeksi suojellakseen asiakasdataa. Vaikka palomuurit ja suojatut kirjautumisportaalit tuovat tietoturvaa, tallennuslaitteiden pitää usein tallentaa dataa luottamuksellisesti ja tähän käytetään usein salausta.

Useampi SSD-valmistaja on kehittänyt itsesalaavia SSD-levyjä (SED, Self-Encrypting Drives), joissa kaikki käyttäjädata levyllä salataan AES-moottorilla (Advanced Encryption Standard). Kaikki NAND-muistiin kirjoitettu käyttäjän data salataan satunnaisesti tuotetulla salausavaimella, ja avain, salasanat ja muut turvaparametrit suojataan kunnollisesti levyllä.

Tämä salaustapa säilyttää nopeuden, mutta mahdollistaa myös krytografisen datanpoiston (Cryptographic Erase function). Toisin kuin tyypilliset aikaavievät ylikirjoittamiset ja lohkojen poistot, tämä toiminto yksinkertaisesti generoi uudellaan salausavaimen, mikä samalla mitätöi kaiken aiemmin tallennetun datan. Tämän ansiosta SED-levyt voidaan nopeasti ja turvallisesti ”puhdistaa” ennen uudelleenkäyttöä tai käytöstä poistamista. Tekniikan etuna on sekin, ettei useaan kertaan tehty ylikirjoittamisprosessi kuluta NAND-siruja ennenaikaisesti.

Lopuksi

Kun datamäärän kasvu nousee yrityksissä yhä suuremmaksi ongelmaksi, SSD-levyjen käyttö suorituskyvyn kasvattamiseksi ja energiatehokkuuden lisäämiseksi nousee yhä houkuttelevammaksi vaihtoehdoksi. Vaikka edullisempien kuluttajille suunnattujen SSD-levyjen käyttö voi joistakin tuntua houkuttelevalta ajatukselta, levyn pettämisen aiheuttamat kustannukset voivat olla selvästi suurempia kuin pelkästä levyn korvaamisesta aiheutuvat. Monissa tapauksissa datalle ei voi määritellä hintaa eikä sitä voi korvata. Lisäksi yritystason SSD-levyjen tuomaa lisäluotettavuutta, kestävyyttä, suorituskykyä ja tietoturvaa ei voi liioitella.