NVMe проти SAS і SATA SSD у серверах. Поточний стан справ

 

Майже всі нові персональні комп'ютери та ноутбуки сьогодні постачаються з NVMe SSD. Якщо у 2020-му році на них припадало близько половини випущених твердотільних носіїв, то зараз їх частка в загальному виробництві SSD виросла до 75%. У серверах і системах зберігання даних не все так переконливо, але тенденція схожа.

 

SATA SSD продовжують втрачати позиції. П’ять років тому вони займали 40% ринку, зараз ця частка скоротилася до 20%. Обмежені можливості інтерфейсу SATA в порівнянні з NVMe позбавляють SATA SSD місця навіть у бюджетних серверах.

 

SAS SSD затребувані в корпоративних дата-центрах завдяки зрілості екосистеми SAS: усталеній програмній підтримці, великій базі сумісного обладнання, простій масштабованості сховищ. Їх виробництво також cкорочується. За п’ять років частка ринку SAS SSD зменшилася з 10-15% до приблизно 5-7%. Вони в основному використовуються у відмовостійких сховищах даних, де важлива двопортовість SAS.

 

Основні постачальники SSD корпоративного призначення Samsung, Western Digital, Solidigm, Micron, Kioxia нарощують виробництво NVMe SSD і знижують частку всіх інших  через попит на високопродуктивні рішення.

 

 

Пряме підключення NVMe до хостової системи забезпечує меншу затримку та вищу пропускну здатність. NVMe SSD ідеально підходять для програм, які потребують високошвидкісної передачі даних: робочих навантажень аналітики даних і машинного навчання, високопродуктивних обчислень, віртуалізації.

 

Типова затримка читання та запису NVMe - приблизно 20–30 мікросекунд і 50–70 мікросекунд відповідно. SAS зазвичай має затримки приблизно 100-200 мікросекунд по читанню та 200-300 мікросекунд по запису. Пропускна здатність NVMe зростає з кожним стандартом шини PCIe. Для PCIe Gen 5 швидкість послідовного читання та запису NVMe SSD сягає 7000 МБ/с і 5000 МБ/с відповідно. 24G SAS SSD забезпечує 4300/3800 МБ/с. Розвиток інтерфейсу SATA припинився на стандарті 6G, з показниками SATA SSD на рівні 560/530 MБ/с.

 

NVMe презентує накопичувачі безпосередньо центральним процесорам. Це дає простір  масштабування продуктивності – скільки вистачить ліній PCIe. Обслуговування SAS/SATA носіїв в серверах через один апаратний RAID-контролер з його вузьким шинним підключенням продуктивність обмежує. Роз'єми PCIe передають у 25 разів більше даних, ніж їхній еквівалент SATA.

 

SAS використовує окремий контролер для керування передачею даних між хостом та пристроями зберігання. За рахунок цього затримки більші, а показники швидкості нижчі.

 

Питання порівняльної продуктивності NVMe – SAS – SATA SSD закрито давно.

 

Від SATA давно ніхто нічого не чекає. Інтерфейс відмирає та йде з базових чипсетів. Універсальність, сумісність, низькі ціни роками забезпечували SATA SSD місце в серверах. Здешевлення NVMe SSD цю популярність розвіює.

 

Недавнє подвоєння пропускної здатності SAS до 24 Гб/c трохи продовжить життя інтерфейсу, хоча вирішальним фактором залишається консерватизм ринку, історичні нашарування серверного обладнання навколо SAS. Водночас добігає кінця панування SAS навіть у відмовостійких системах зберігання даних: двопортові NVMe SSD не дорожчі за SAS SSD, демократичні NVMe-сховища високої доступності - на підході.

 

 

Можливостей носіїв та доступних цін замало, прикладне значення має готовність серверних платформ та програмного оточення.

 

Основний стандарт серверних NVMe SSD сьогодні - U.2 (2.5” NVMe). Хоча U.2 фізично сумісні з типовими дисковими кошиками серверів, для їх сигнальної підтримки потрібні відповідні бекплейни. Такі є в усіх вендорів, проте різноманіття варіантів підключення дещо ускладнює планування виробництва. За часів SAS було простіше. Зусилля по просуванню трирежимних (Tri-mode) HBA та RAID-контролерів, а разом з ними універсальних бекплейнів з автовизначенням типу носіїв виявилися марними: суміш дисків NVMe/SAS/SATA за одним контролером має мало сенсу. Трирежимне дискове господарство сервери не спрощує, а ускладнює та здорожчує. Збут серверів уповільнюється, їх здебільшого виробляють під замовлення - комплектування великою мірою залежить від наповнення дискової підсистеми, не вгадаєш.

 

Подолання програмно-апаратного тяжіння до екосистеми SAS покращить показники вводу-виводу. Майбутнє – за серверами NVMe-only. З кожною новою версією PCIe подвоюється пропускна здатність носіїв. Сама специфікація NVMe оновлюється, сприяючи створенню продуктивного, гнучко керованого оточення.

 

 

Зміни в специфікації грають на руку розробці просунутих рішень NVMe. Варто звернути увагу на такі нові набори команд як зоновані простори імен (Zoned Namespaces, ZNS) і ключ-значення (Key Value, KV).

 

Специфікація ZNS забезпечує інтерфейс зонованого зберігання, який дозволяє SSD і хосту координувати розміщення даних. Уникаючи трансляції логічних адрес, ZNS покращує загальну продуктивність та збільшує ємність носія, яка може бути доступна хосту.

 

Набір команд KV надає доступ до даних контролеру NVMe SSD за допомогою ключа, а не адреси блоку. KV дозволяє додаткам безпосередньо спілкуватися з накопичувачем за допомогою пар ключ-значення, уникаючи накладних витрат таблиць відповідності.

 

А ще додались типи просторів імен (namespace types) для розширення командного поля  контролерів NVMe SSD, групове керування ресурсом (NVMe Endurance Group Management) з деталізацією доступу і об’єднанням SSD в групи за витривалістю, 32/64-розрядний CRC для використання нових типів метаданих і розширеного захисту великомасштабних систем даних, керування командною групою – нова функція безпеки для запобігання ненавмисному або зловмисному втручанню в дані.

 

 

Провідні вендори знімають вершки з ринку, утримуючи ціновий розрив між системами на NVMe і SAS/SATA SSD. Об’єктивно його не має бути, враховуючи ринкову вартість компонентів.

 

Привабливість NVMe не підлягає сумніву. Частка NVMe SSD серед твердотільних накопичувачів, що випускаються, зростатиме. Підлаштується і програмно-апаратне оточення.