NVMe против SAS и SATA SSD в серверах. Текущее положение дел

HDD из серверов ушли, а следы остались. Два из трех типов интерфейсов SSD (SATA, SAS, PCIe) используют наборы команд ATA и SCSI времен «механики». Более новый набор инструкций для PCIe под названием NVMe был разработан специально для накопителей на флэш-памяти. Он обеспечивает существено больший прирост производительности ввода/вывода, устраняя посредников между центральными процессорами и носителями.

Динамика рынка SSD

Почти все новые персональные компьютеры и ноутбуки сегодня поставляются с NVMe SSD. Если в 2020 году на них приходилось около половины выпущенных твердотельных носителей, то сейчас их доля в общем производстве SSD выросла до 75%. В серверах и системах хранения данных не все так убедительно, но тенденция сходная.

SATA SSD продолжают терять позиции. Пять лет назад они занимали 40% рынка, сейчас эта доля сократилась до 20%. Ограниченные возможности интерфейса SATA по сравнению с NVMe лишают SATA SSD места даже в бюджетных серверах.

SAS SSD востребованы в корпоративных дата-центрах благодаря зрелости экосистемы SAS: установившейся программной поддержке, большой базе совместного оборудования, простой масштабируемости хранилищ. Их производство тоже сокращается. За пять лет доля рынка SAS SSD уменьшилась с 10-15% до примерно 5-7%. Они в основном используются в отказоустойчивых хранилищах данных, где важна двухпортовость SAS.

Основные поставщики SSD корпоративного назначения Samsung, Western Digital, Solidigm, Micron, Kioxia наращивают производство NVMe SSD и снижают долю всех остальных из-за спроса на высокопроизводительные решения.

Производительность

Прямое подключение NVMe к хостовой системе обеспечивает меньшую задержку и более высокую пропускную способность. NVMe SSD идеально подходят для программ, требующих высокоскоростной передачи данных: рабочих нагрузок аналитики данных и машинного обучения, высокопроизводительных вычислений, виртуализации.

Типичная задержка чтения и записи NVMe – примерно 20–30 микросекунд и 50–70 микросекунд соответственно. SAS обычно имеет задержки около 100-200 микросекунд по чтению и 200-300 микросекунд по записи. Пропускная способность NVMe растет с каждым стандартом шины PCIe. Для PCIe Gen 5 скорость последовательного чтения и записи NVMe SSD достигает 7000 МБ/с и 5000 МБ/с соответственно. 24G SAS SSD обеспечивает 4300/3800 МБ/с. Развитие интерфейса SATA прекратилось на стандарте 6G, с показателями SATA SSD на уровне 560/530 MБ/с.

NVMe презентует накопители непосредственно центральным процессорам. Это дает простор масштабирования производительности – сколько хватит линий PCIe. Обслуживание SAS/SATA носителей в серверах через один аппаратный RAID-контроллер с узким шинным подключением производительность ограничивает. Разъемы PCIe передают в 25 раз больше данных, чем их эквивалент SATA.

SAS использует отдельный контроллер для управления передачей данных между хостом и устройствами хранения. За счет этого задержки больше, а показатели скорости ниже.

Вопрос сравнительной производительности NVMe – SAS – SATA SSD закрыт давно.

Перспективы

От SATA давно никто ничего не ждет. Интерфейс отмирает и уходит из базовых чипсетов. Универсальность, совместимость, низкие цены годами обеспечивали SATA SSD место в серверах. Удешевление NVMe SSD эту популярность развеивает.

Недавнее удвоение пропускной способности SAS до 24 Гб/c немного продлит жизнь интерфейса, хотя решающим фактором остается консерватизм рынка, исторические наслоения серверного оборудования вокруг SAS. В то же время подходит к концу господство SAS даже в отказоустойчивых системах хранения данных: двухпортовые NVMe SSD не дороже SAS SSD, демократические NVMe-хранилища высокой доступности - на подходе.

Бремя прошлого

Возможностей носителей и доступных цен недостаточно, прикладное значение имеет готовность серверных платформ и программного обеспечения.

Основной стандарт серверных NVMe SSD сегодня – U.2 (2.5” NVMe). Хотя U.2 физически совместимы с типичными дисковыми корзинами серверов, для их сигнальной поддержки требуются соответствующие бэкплейны. Такие есть у всех вендоров, однако разнообразие вариантов подключения несколько усложняет планирование производства. При SAS было проще. Усилия по продвижению трехрежимных (Tri-mode) HBA и RAID-контроллеров, а вместе с ними универсальных бэкплейнов с автоопределением типа носителей оказались безуспешными: смесь дисков NVMe/SAS/SATA по одному контроллеру имеет мало смысла. Трехрежимное дисковое хозяйство серверы не упрощает, а усложняет и удорожает. Сбыт серверов замедляется, их в большинстве своем производят под заказ - комплектование во многом зависит от наполнения дисковой подсистемы, не угадаешь.

Преодоление программно-аппаратного тяготения к экосистеме SAS улучшит показатели ввода-вывода. Будущее – за серверами NVMe-only. С каждой новой версией PCIe удваивается пропускная способность носителей. Сама спецификация NVMe обновляется, способствуя созданию продуктивного, гибко управляемого окружения.

NVMe 2.0

Изменения в спецификации играют на руку разработке продвинутых решений NVMe. Стоит обратить внимание на новые наборы команд как зонированные пространства имен (Zoned Namespaces, ZNS) и ключ-значения (Key Value, KV).

Спецификация ZNS обеспечивает интерфейс зонированного хранения, позволяющий SSD и хосту координировать размещение данных. Избегая трансляции логических адресов, ZNS улучшает общую производительность и увеличивает емкость носителя, которая может быть доступна хосту.

Набор команд KV предоставляет доступ к данным контроллера NVMe SSD с помощью ключа, а не адреса блока. KV позволяет приложениям напрямую общаться с накопителем с помощью пар ключ-значение, избегая накладных расходов таблиц соответствия.

А еще добавились типы пространств имен (namespace types) для расширения командного поля контроллеров NVMe SSD, групповое управление ресурсом (NVMe Endurance Group Management) с детализацией доступа и объединением SSD в группы по выносливости, 32/64-разрядный CRC для использования новых типов метаданных и расширенной защиты крупномасштабных систем данных, управление командной группой – новая функция безопасности для предотвращения непреднамеренного или злонамеренного вмешательства в данные.

Неотвратимость

Ведущие вендоры снимают сливки с рынка, удерживая ценовой разрыв между системами на NVMe и SAS/SATA SSD. Объективно его не должно быть, с учетом рыночной стоимости компонентов.

Привлекательность NVMe не подвергается сомнению. Доля NVMe SSD среди выпускаемых твердотельных накопителей будет расти. Подстроится и программно-аппаратное окружение.