Связь с космосом: история зарождения и трансформация флэш-памяти
Первые отголоски флэш-памяти появились в середине 20 века, когда ученый Вэн Цинг Чоу, работал над улучшением блоков памяти координат бортового компьютера одной из ракетных систем. Детали разработки долго не раскрывали ввиду особой секретности проекта, но спустя годы, многое рассекретили, а вместе с тем стало известно о новой технологии, которая носила название PROM (Programmable Read Only Memory).
Не сказать, что технология получила широкое распространение, но именно она впоследствии использовалась при создании микросхем, которые отличались высокой скоростью доступа к данными и возможностью одноразовой записи. Существенный и далеко не единственный минус – емкости таких микросхем были ничтожно малы. Но, как говорится, лиха беда начало. Ситуацию исправила компания Intel, вышедшая впоследствии на рынок с новым стандартом памяти EPROM.
Кстати технология по тем временам считалась самой передовой и именно она впервые использовалась в роли микросхем BIOS на 8-разрядных домашних компьютерах ZX Spectrum, производимых английской компанией Sinclair Research. Это действительно был настоящий прорыв, хотя в самой технологии отмечались определенные недостатки. Например, в EPROM отсутствовала возможность электрическим способом стирать информацию, зато как утверждал производитель – данные на таких микросхемах могли храниться до 10 лет. Для того, чтобы удалить данные, приходилось прибегать к помощи мощнейших ультрафиолетовых ламп и стирать информацию ультрафиолетовым светом, который пропускался через специальное окошко.
В 1978 году компания Intel представила миру схожую по технологии с EPROM микросхему Intel 2816, особенность которой заключалась в возможности удалять данные без воздействия ультрафиолета. Именно с 2816 берет начало технология электрически перепрограммируемой памяти EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), которая в дальнейшем способствовала развитию двух принципиально отличных классов устройств: вместительных микросхем без возможности перезаписи данных и менее вместительных с возможностью перезаписи информации.
Вот – новый поворот
В середине 80-х компания Toshiba совершила переворот в технологии хранения данных. Фудзио Масуока, уроженец Такасиаки – города гиганта по производству электротехнической продукции в Японии, занялся разработкой новой технологии, создав первый прообраз будущей флэш-памяти. Кстати flash тут больше употребляется в контексте «быстрый, мгновенный». Хотя бытует мнение, что одному из коллег Фудзио Масуока процесс стирания данных напоминал фотовспышку, отсюда и название. Правда это или нет, уже не столь важно. Но именно в тот период началась гонка за первенство между Intel и Toshiba. В 1984 году на конференции IEDM в США Фудзио Масуока представил прообраз новой ячейки памяти, после чего возникла большая заинтересованность на тестовые образцы, особенно со стороны Intel. Получив в свое распоряжение тестовые чипы, Intel привлекла к исследованиям целую армию инженеров и серьезно занялась разработкой флэш-памяти. Считается, что именно Intel вывела флэш-память на коммерческий рынок, но в Toshiba полагают, что это не так. В 1985 году в Toshiba впервые поступил заказ на разработку флэш-памяти объемом 256 Кбайт от американской автомобильной компании, а в 1989 году вендор представил новый чип для хранения данных NAND-flash. Когда как Intel представила первый чип только к началу 1988 года – это были первые коммерческие образцы NOR-flash памяти. Сегодня технологии NOR и NAND используются для решения совершенно разных задач. Так микросхемы с архитектурой NOR больше применяют в случаях, когда критичным является время доступа к чтению сохраненных данных, а микросхемы с архитектурой NAND там, где необходимо хранить большие объемы данных.
Тенденции и реалии рынка
Сегодня в сегменте Enterprise-серверов и систем хранения данных можно выделить три основных подхода к организации flash-памяти:
SSD диски форм-фактора 2.5’’
SSD диски форм-фактора 2,5” (реже M.2 и M.3) – для обмена данными используют интерфейсы SATA, SAS, NVMe, а в качестве flash-модулей – SLC, eMLC, QLC. Стоит отметить, что практически все А-вендоры устанавливают такие диски в собственные серверы и системы хранения данных. В настоящее время flash-модули, используемые в SSD, производятся по технологии 3D NAND, которая позволяет в рамках одного чипа компоновать множество ячеек, внутри которых записываются биты информации. Современные 3D NAND модули поддерживают возможность записи до 4-х битов в одну ячейку. Учитывая количество битов, записываемых в ячейку, все 3D NAND чипы можно разделить на типы. Мы решили не останавливаться детально на преимуществах и недостатках каждого из них, а выделим лишь общие характеристики.
Итак, в зависимости от типа 3D NAND потребитель получает:
Как отмечалось выше, технология 3D NAND зрелая, на сегодняшний день SSD диски наиболее широко представлены на рынке и ими пользуются абсолютно все вендоры без исключений.
Flash-модули на интерфейсе PCIe
Flash-модули, использующие интерфейс PCIe для обмена данными с хост-контроллером можно встретить в решениях IBM FlashSystem и Violin. Это достаточно нишевое, но пока не совсем широко используемое на практике решение. Столь низкая популярность объясняется высокой стоимостью и некоторыми архитектурными ограничениями, присущими системам, построенным на таких модулях. Несмотря на низкие показатели задержки (latency) и высокие показатели IOPS, заявленные для таких систем, они используются в основном для ПО, работающего в режиме реального времени, например, трейдерские системы, онлайн-транзакции и многое другое.
SCM (Storage Class Memories)
SCM (Storage Class Memories) или высокоскоростные энергонезависимые устройства хранения информации, представлены на рынке модулями NVDIMM, Optane DC в формате карт расширения PCE-e либо DRAM модулей, могут размещаться в слотах DIMM. Стоит отметить, что SCM вышел на рынок сравнительно недавно – в начале 2017 года, когда компания Intel впервые анонсировала модули Intel Optane SSD DC P4800X. Особенность заключается в том, что SCM имеет относительно небольшой объем для хранения и действительно впечатляющие показатели производительности и надежности. Интересна и область применения таких SSD – в основном они используются для решения задач, требующие сотни тысяч IOPS и уровня задержек в сотни наносекунд. Учитывая озвученные возможности, данный тип памяти зачастую используется в качестве сверхбыстрого TIER в СХД и серверах (аналог кэша). Например, у компании NetApp есть решение NetApp MaxData, которое позволяет использовать модули Intel Optane в качестве дополнительного высокопроизводительного уровня SSD для кэширования данных на стороне серверов.
Перспективы полной замены традиционных дисков
Заменят ли твердотельные решения на базе энергонезависимой памяти традиционные диски? – этот вопрос не первый год обсуждают на форумах и конференциях, различные представители бизнеса хотят знать истинное положение дел. Но если говорить в разрезе корпоративного сегмента – можно с уверенностью сказать, что процесс уже идет и в обозримом будущем замена однозначно произойдет. Исключение пока составляют большие хранилища холодных данных, куда данные будут перемещаться с более производительных SSD дисков. Пока же наблюдается противостояние привычных дисковых массивов и решений, построенных на флэш-накопителях. Хотя если вернуться на 10 лет назад, мы увидим, что ситуация тогда и сейчас – совершенно разная. Озвученный вопрос был бы неуместен в условиях того, что твердотельные диски на базе flash стоили космических денег, имели ограничения по емкости и количеству циклов перезаписи. Бизнес не видел особого интереса в таком формате носителей и не спешил их использовать в составе СХД.
Что думают на этот счет облачные провайдеры
Поставщики облачных услуг стали однозначно чаще смотреть в сторону решений на базе флэш-памяти и использовать в своей практике массивы All-Flash. Сегодня производители предлагают различные варианты AF-решений, благодаря которым обеспечивается высокая эффективность в отношении полученных результатов.
Поскольку требования корпоративных заказчиков к доступности и производительности ресурсов, арендуемых в облаке постоянно растут, важно понимать, какое решение может покрыть имеющиеся требования. Так, облачный провайдер «ИТ-ГРАД» (входит в группу МТС) сравнив технологические преимущества, которые дает использование AFA массивов с гибридными СХД, а также сопоставив стоимость 1 Гб объема на SSD и 1 Гб объема на гибридных СХД, пришел к пониманию, что в определенных случаях оптимально расширять дисковые объемы именно за счет использования AFA. Помимо экономии на объемах (40-50%), удалось существенно сократить количество занимаемых юнитов в стойках. Для сравнения – одна дисковая полка 2U на 24 SSD объемом 3.8Тб дает полезного объема столько же, сколько пять гибридных полок 2U с установленными 100 SAS дисками, объёмом 900 Гб. Переход на AFA дал возможность более гибко подходить к тарификации дисковых объемов и гарантировать показатели производительности дисковой подсистемы в SLA для заказчиков.
«Мы больше не расширяемся за счет SAS HDD. Для нас AFA системы от NetApp – это универсальный инструмент на все случаи жизни в мире СХД. Помимо основной задачи, которая заключается в предоставлении быстрого и надежного хранилища для дисков виртуальных машин, мы используем озвученное решение и для других кейсов. Например, можем выдавать дисковые объемы напрямую в ВМ, минуя среду виртуализации. Такой функционал востребован, особенно при построении HA-кластеров на базе ВМ, когда необходимо выдать общие LUNs на все узлы кластера. Кроме этого NetApp дает возможность предоставлять в аренду полноценную виртуальную СХД, которой клиент может управлять самостоятельно, не затрагивая при этом данные других заказчиков. Использование функционала QoS позволяет гибко регулировать полосу пропускания, доступную для выделенных заказчиков, причем мы можем задать как верхний лимит по производительности в MB/с либо в IOPs, так и гарантировать минимально доступную пропускную способность. Кластер СХД от NetApp позволяет сглаживать потенциальные проблемы с недоступностью одной из нод по сети, перебрасывая трафик на другие ноды. Все кейсы в рамках одной статьи к сожалению, невозможно рассказать, но мы всегда готовы поделиться ими с нашими потенциальными заказчиками».
Николай Араловец, Системный архитектор «ИТ-ГРАД» (входит в Группу МТС)
Прогнозы
Выше мы уже говорили о трех основных направлениях SSD и в рамках рассмотренного на сегодняшний день сложно ожидать каких-то технологических прорывов. Сейчас мы находимся на пути стабильного эволюционного развития технологий производства модулей. Очевидно, что растут объемы и в ближайшей перспективе произойдет интеграция поддержки стандарта NVMe во все контроллеры Flash модулей, что позволит в полной мере использовать их возможности по производительности. В качестве перспективных технологий, можно выделить Samsung Key Value SSD, которые больше подходят для приложений, работающих с неструктурированными данными в виде Ceph, mongo DB, Redis, а также flash-модули STT-MRAM, ReRAM на базе магнитнорезистивной памяти и движение Intel в сторону Penta-Level Cell (PLC).
Источник: журнал Connect
