Flash-muisti yleistyy tietoliikennelaitteissa, mutta niissä ratkaisulta vaaditaan paljon enemmän kuin yritys- ja kuluttajalaitteiden tallennuksessa: luotettavuutta, laatua ja datan palautusmahdollisuutta.

Artikkelin kirjoittaja Axel Mehnert vastaa Hyperstonella markkinoinnista, tuotestrategioista ja liiketoiminnan kehityksestä. Hänellä on yli 15 vuoden kokemus flash-liiketoiminnasta. Ennen Hyperstonea Mehnert on työskennellyt Siemensillä, Evergreen Technologiesilla ja Texas Instrumentsilla. Hänellä on tutkinnot Kielin ja Oregonin yliopistoista.

WWW on muuttanut kaiken. Se liittää ihmiset ja esineet verkkoon tavalla, jota ei aiemmin voitu edes kuvitella. Tätä liitettävyyttä tukevat verkkolaitteistot yleistyvät ja kehittyvät jatkuvasti ja ne pitävät sisällään tietoliikennettä, dataviestintää ja datakeskuksia. Datan prosessointi- ja tallennussovellukset yltävät tukiasemista käyttäjälaitteisiin reitittimien ja kytki kytkimien hierarkian kautta, kun digitaalisen liikenteen määrä kasvaa tarve nopeille ja luotettavalle tallennukselle vain lisääntyy. Tietoliikenneverkon vaatimukset eroavat selvästi yritys- ja kulutussektorien laitteiden vaatimuksista. Yrityssektorilla fokuksessa on nopeus ja pieni latenssi, mitä kuvaa hyvin RAID-verkkolevyjen standardisoituminen PCIexpress- ja SATA-liitäntöihin. Tämä on suuri markkina, jolla tuotteita on paljon. Sama pätee myös kulutussektoriin, missä tärkeimmät vaatimukset ovat kustannukset ja kapasiteetti. Suorituskyvyn ja kestävyyden suhteen vaatimukset ovat pienempiä.

Tietoliikennelaitteissa vaatimukset ovat erilaisia. Niissä keskitytään luotettavuuteen, laatuun ja datan palautukseen. Hinta on tietenkin tärkeä tekijä, mutta niin ovat tuen jatkuvuus ja elinkaaren kestävä laitetuki. Erityisesti pettävät laitteet kasvattavat kustannuksia merkittävästi. Tämän todistaa tarve seurata tallennuslaitteiden tilaa, ja mikäli tarpeen, suorittaa vika-analyysiä. Lisäksi vaatimuksiin kuuluvat kykyyn toimia laajan lämpötila-alueen yli ja tukea liitäntöjen moninaisuutta. Viimeiseen kuuluu myös tarve tukea vanhoja ns. legacy-liitäntöjä uusimmilla flash-muisteilla, joita markkinoilla on tarjolla. Useimmat valmistajat, jotka keskittyvät yritys- tai kuluttajasektoreille, eivät pysty vastaamaan näihin vaatimuksiin.

Legacy-tuki ja TCO

Tietoliikennelaitteiden erityishaasteet ovat seurausta ”meta-järjestelmästä” eli siitä, että jokainen alijärjestelmä on osa laajempaa järjestelmää. Tallennus on tässä tärkeä elementti, mutta se on vain pieni osa kokonaiskustannuksia. Pienestä koostaan huolimatta tallennuslaitteet ovat osa kriittistä polkua, ja mikä tahansa pettäminen voi johtaa merkittäviin seurauksiin.

Tietoliikennesovelluksissa tallennusratkaisut pitää suunnitella niin, että kokonaiskustannukset (TCO, total cost of ownership) minimoidaan tuotteen koko elinkaaren ajalta. Tämä tarkoittaa merkittävästi pidempää aikaa kuin yritys- ja kuluttajasektorilla. Järjestelmän osia voidaan joutua vaihtamaan tai päivittämään elinkaaren aikana, mikä tallennuksen näkökulmasta voi tarkoittaa siirtymistä uusimpaan liitäntästandardiin. Tällä alueella toimittajien täytyy tukea sekä uusia että vanhoja legacy-liitäntöjä, sekä tarjota tallennusratkaisujen pitkäaikaista saatavuutta.

Ratkaisujen käyttö voi olla paljon moninaisempaa kuin muilla alueilla. Satunnaisten hakujen ja datanluvun suorituskyky yhdessä luvunhäiriöiden hallinnan kanssa on tärkeää koodin ja käyttöjärjestelmän tallennuksessa. Satunnaiskirjoitusnopeus ja samanaikaiset lyhyiden kirjoitusten vahvistukset ovat tärkeässä asemassa, kun varmistetaan esimerkiksi sisäänkirjautuminen ja muunlainen pienten datamäärien tai konfigurointitietojen päivittäminen. Nopeaa purskesuorituskykyä tarvitaan, kun DRAM-kaatumistiedostoja kirjoitetaan flashiin sähkökatkon tapahtuessa. Kun nämä erilaiset muistinkäyttötavat jakavat samoja fyysisiä NAND-komponentteja, tarvitaan edistynyttä kulumisen kompensointia ja muistin vapauttamista.

Yrityslaitteissa NVMe on nousemassa suuren kapasiteetin ja suorituskyvyn tallennusratkaisuksi, joka käyttää PCI Express -liitäntää haihtumattomaan tallennusmediaan liittymiseen. Tämän formaatin myötä tulee kuitenkin suuret tehovaatimukset ja kasvavat järjestelmäkustannukset. Yhdessä suuren tehotarpeen ja kalliin hinnan kanssa NVMe voi muodostua hankalaksi sähkönsyötön varmistuksen kannalta, sillä se vaatii enemmän käyttäjä- ja datahallinnalta. Tämän takia NVMe voi sopia huonosti tietoliikennesovelluksiin.

Sulautettu tai eUSB-moduuliformaatti perustuu ja on yhteensopiva USB-liitäntästandardin ja sen 2.0- ja 3.1-versioiden kanssa. Se sisältää integroidun ohjaimen, jolla tuotetaan hallittu NAND-ratkaisu. Se voi olla sopiva korvaaja muille formaateille kuten SSD:lle ja eMMC:lle. Käyttämällä NAND-muistia ohjain voi käsitellä median kulumista ja näin se tarjoaa joustavan tallennusvaihtoehdon. eUSB-moduuleita on saataville monilta toimittajilta niin teollisuus- kuin sulautettuihin sovelluksiin eri flash-tekniikoilla, kuten MLC, pSLC ja SLC. Kapasiteetit vaihtelevat yleensä 2 gigatavusta 128 gigatavuun suorituskyvyn yltäessä 160 megatavuun sekunnissa. Joustavuus sovittaa tallennusjärjestelmä vaatimusten mukaan auttaa pitämään teho- ja järjestelmäkustannukset alhaisina samalla, kun kestävyys ja luotettavuus ovat paremmat kuin muissa formaateissa, mukaan lukien SSD ja NVMe.

Täten eUSB-moduulit ovat houkutteleva vaihtoehtoinen tallennusratkaisu, jotka tukevat USB 3.1:ssä määriteltyä nopeaa ja super-speed-tallennusta. Se on jopa 30 kertaa USB 2.0:aa nopeampi, mutta säilyttää taaksepäin yhteensopivuuden ja tukee SMART-tekniikka (itsemonitorointi. analysointi ja raportointi), mikä antaa mahdollisuuden moduulin terveydentilan tarkkaan monitorointiin.

Moduulien keskiössä on Hyperstonen U9 USB 3.1 -flashmuistiohjain ja hallintatekniikka. Käyttämällä hyMap-kerrosta (FTL, Flash Transition Level) ja hyReliability-firmware-ohjelmistoa se maksimoi pitkäikäisyyden ja datan säilymisen, ja tuottaa lisäksi kestävän ja vikasietoisen toiminnan. Näin datan eheys varmistetaan kaikissa olosuhteissa ratkaisun koko eliniän ajan.

U9-ohjain on varustettu sulautetulla 32-bittisellä prosessoriytimellä sekä flash-muistinhallintaan optimoidulla käskykannalla yhdessä AES 128- ja 256-salauksen kanssa. Siinä on myös 16 yleiskäyttöistä I/O:ta ja ohjelmistokehitysalusta, joka tukee asiakaskohtaisten firmware-laajennusten kehitystä.

Älyä haihtumattomaan

Tilan seurannasta on tullit flash-muistinhallinnan keskeinen elementti tietoliikennelaitteissa. Yhdessä U9:n kaltaisen ohjaimen kanssa se mahdollistaa useiden paremetrien, kuten säästettyjen lohojen, lohkojen poispyyhintämäärien ja ECC/ERR-virheiden tallentamisen kaikkina aikoina. Lisäksi median kulumista ja huonojen lohkojen hallintaa voidaan tarkistaa.

Kaikkeen tähän dataan päästään käsiksi hySMART-työkalulla, jossa päästään graafisessa ympäristössä kiinni ATA/valmistajaspesifiin dataan. Hyperstonella on myös C++-lähdekoodi perustoiminnoille, joten asiakkaat voivat toteuttaa SMART-toiminnot järjestelmätasolla. Lisäksi data voidaan korreloida ja käyttää sitä elinajan arviointiin, mikä helpottaa asiakkaita arvioimaan TCO-kokonaiskustannuksia.

Tärkeä osa kokonaiskustannusten laskentaa on tallennuksen kestävyyden laskeminen. Haihtumattoman flash-muistin kohdalla tämä liittyy siihen, miten fyysinen media mappautuu isäntälaitteen loogisiin tallennuskuvioihin. Tähän mappaukseen (muistiosoite viittaa fyysiseen muistipaikkaan) viitataan FTL-kerroksella (Flash translation layer). Kaikki flash-mediat käyttävät FTL:ää mappaamaan, mihin data on tallennettu. Hyperstonen hyMap-tekniikka tuo käyttöön tämän toiminnallisuuden tavoitteenaan maksimoida median luotettavuus ja kestävyys, ja siten minimoida TCO-kustannukset.

Fyysiset tallennussijainnit haihtumattomassa muistissa järjestetään lohkoittain, sivuittain ja joissakin tapauksissa alisivuina. Tarkempi mappaaminen (alisivujen avulla) antaa mahdollisuuden käyttää muistia optimaalisesti, mutta se asettaa enemmän rasitusta flash-ohjainalgoritmille, minkä jotkut ohjainvalmistajat näkevät kompromettoivana. Hyperstonen hyMap-tekniikka käyttää alisivuja oletusarvoisesti, mikä auttaa toisen toiminnon kanssa, joka tunnetaan kirjoitusvahvistustekijänä (WAF, write amplification factor). Tämä luku kertoo, kuinka paljon lisäinformaatiota flashille kirjoitetaan jokaisen datatavun kanssa, joten alhainen WAF-arvo on parempi.

Alhaisen WAF-lukeman saavuttaminen riippuu monesta tekijästä, mutta se alkaa tallennuksen rakeisuudesta/pirstoutuneisuudesta (granularity), sivujen ja lohkojen koosta sekä perustana olevasta flash-tekniikasta: käyttääkö media esimerkiksi yksi- vai monitasoisia soluja (SLC vai MLC)?

WAF-lukemaan voi vaikuttaa myös se, mihin mappausinformaatio on tallennettu: sisäiseen vai ulkoiseen DRAM-muistiin? Sääntönä toimii se, että alhainen WAF-arvo ja hienompi mappaus voi parantaa tallennuksen kestävyyttä jopa 100-kertaisesti silloin, kun tallennetaan tiheään pieniä satunnaisia hakuja esimerkiksi käynnistyslevyiltä. WAF-lukeman määrittely tietylle kirjoitusmäärälle voi auttaa valitsemaan sopivimman flash-tekniikan. HyMapsin avulla voi nyt olla mahdollist käyttää MLC- tai pSLC-muisteja yksisoluisen SLC:N sijaan.

Lopuksi

Tallennus on pieni, mutta olennainen osa suurempaa järjestelmää, joka muodostaa tietoliikenteen infrastruktuurin. Vika missä tahansa alijärjestelmässä voi johtaa palvelun katkeamiseen. Flash-muisteista on tullut oletusmedia koodin ja datan tallennukseen koko järjestelmässä, joten palveluntarjoajat nojaavat sellaisiin toimittajiin, jotka pystyvät lupaamaan pitkäaikaisen tuen uusille ja vanhoille liitännöille.

Flashin käyttö tietoliikenteessä vaatii lähestymistapaa, jota ei ole räätälöity vain yritys- ja kuluttajalaitteiden tarpeisiin, joissa elinkaaret ovat lyhyet. Kestävyys, luotettavuus ja kokonaiskustannusten hallinta ovat elintärkeitä tietoliikenteessä, ja tämä säilyy Hyperstonen toiminnan keskiössä.