NVMe SSD: что это и почему они важны для серверов?

Компьютерная техника развивается семимильными шагами. Увеличиваются тактовые частоты процессоров, растут объемы ОЗУ, появляются технологии, которые буквально пару десятилетий назад казались невозможными. Яркий пример – устройства хранения информации. В начале 2000-х позиции жестких магнитных дисков HDD выглядели незыблемыми. Сейчас им на смену, однако, пришли твердотельные накопители SSD, работающие в разы быстрее, тише, не подверженные механическому износу.

Скорость записи и чтения, впрочем, определяется не просто типом диска, компонентами, использованными при сборке, но интерфейсом его подключения. Одно из актуальных решений – NVMe. В чем особенности этого интерфейса? Почему именно NVMe SSD рекомендуется использовать для комплектации серверов?

Эволюция

HDD – жесткий диск, использующийся при комплектации серверов еще в прошлом столетии. Внутри металлического корпуса расположены диски из алюминия с магнитным покрытием. Диски вращаются, подобно пластинкам, головка – считывает или записывает данные. Устройства надежны, однако, механический принцип работы сопряжен с недостатками. Они уязвимы для вибраций, шумят, изнашиваются, расходуют довольно много энергии.

SSD – более современная технология. Механика уступила место полупроводникам. Это помогло многократно повысить скорости записи и чтения, обеспечить устойчивость к вибрационным воздействиям, полностью устранить шум. Твердотельные накопители дороже магнитных, однако, в последнее время разница нивелируется, устройства становится все более доступными. Их единственный минус – ограниченность циклов перезаписи. Впрочем, технология совершенствуется и ресурс увеличивается.

Интерфейсы

Эволюционируют не только сами диски, но и интерфейсы, обеспечивающие обмен данными:

• SATA. Вершина развития – SATA третьего поколения, однако, даже она обеспечивает довольно скромную по нынешним временам скорость, 600 МБ в секунду. Двусторонняя одновременная работа невозможна – только запись или чтение.
• SAS. Интерфейс, разработанный специально для серверного оборудования, характеризующийся пропускной способностью до 24 гигабит в секунду. Поддерживает одновременную передачу информации в обоих направлениях.
• NVMe. Создан для твердотельных накопителей, позволяет в полной мере раскрыть их возможности. Реализована поддержка 16 линий передачи, суммарное значение – 32 тысячи МБ в секунду. NVMe SSD довольно дороги, но практика показывает, что именно они – идеальное решение для современных серверов. Вложения на 100% компенсируются множеством достоинств и сценариев использования.

Преимущества

Комплектация серверной инфраструктуры NVMe-дисками делает ее более производительной, надежной, устойчивой к сбоям и отказам. Увеличение скорости передачи информации – не единственный плюс. Необходимо обратить внимание и на следующие сильные стороны:

• Уменьшение выраженности задержек. Среднее значение для SATA и SAS – 100 мкс, для NVMe – десятикратно меньше.
• Максимальная пропускная способность. При подключении диска через шину PCI Express 5.0, удается достичь скорости 32 гигабита в секунду.
• Возможность обрабатывать запросы параллельно. Одновременно в очереди может находиться больше 65 тысяч запросов.
• Уменьшение нагрузки на процессор. Архитектура накопителя позволяет выполнять все операции, не нагружая ЦПУ.
• Минимальное энергопотребление. Позволяет увеличить время работы сервера при отключении основной линии питания, переходе на резерв, ИБП.

Практически перечисленные плюсы выражаются в быстрой работе приложении, способности серверов обработать максимум запросов за единицу времени. Пользователям, посетителям сайтов не приходится ждать открытия нужных страниц.

К сильным сторонам относится и высочайшая надежность NVMe SSD. Устройства поддерживают алгоритмы самодиагностики, защищены от потерь данных, вызванных сбоями на линии питания. Накопители подходят даже для наиболее ответственных систем, где необходимо на 100% исключить риск потери файлов. Реализована поддержка технологий шифрования, исключающая перехват, кражу данных.

 

Сценарии применения

Один из наиболее популярных сценариев использования NVMe SSD – серверы, использующиеся для хранения, накопления баз данных. Тип БД при этом вторичен. Например, в аналитических базах удается почти в 2 раза ускорить выполнение запросов, в транзакционных – на порядок увеличить количество транзакций в течение секунды.

Переход на NVMe в системах типа MySQL – решение, выгодное не только с технической, но и с экономической точки зрения. Накопители ускоряют работу системы даже без замены других ее дорогостоящих компонентов – процессора и оперативной памяти.

Технологичные накопители информации востребованы и в следующих областях:

1. Системы виртуализации. SSD NVMe дают возможность повысить плотность размещения виртуальных машин на сервере, свести к минимуму задержки, с максимальной эффективностью использовать доступные мощности.
2. Вычисления, требующие значительных аппаратных мощностей. В первую очередь, речь идет о серверах в научных лабораториях, инженерных бюро. Специалистам приходится взаимодействовать с огромными объемами данных, а потому без соответствующей пропускной способности накопителей вычисления займут непозволительно много времени.
3. Аналитические системы. Как и в предыдущем случае, аналитика строится на обработке огромных информационных массивов. Чем быстрее работает диск, тем меньше времени займет решение задачи.
4. Работа с мультимедийными файлами. Например, сервер используется для создания 3D-анимации группой специалистов. Такие графические файлы очень объемны, так что для комфортного взаимодействия требуется устройство с соответствующей скоростью.
5. Финансовые системы. В данном случае важно не только быстродействие NVMe, но и его надежность. Можно не опасаться утраты важных коммерческих данных, их попадания к третьим лицам.

Что нужно учитывать?

Перевод сервера на SSD NVMe – рациональное решение, однако, для реализации всех их преимуществ, исключения возможных проблем, необходимо ответственно и комплексно подойти к задаче, учесть некоторые тонкости. Например, высокоскоростные накопители выделяют значительные объемы тепловой энергии. В среднем одно устройство генерирует около 30 ватт тепла.

Продолжительная работа под высокой температурной нагрузкой почти в 2 раза сокращает срок службы устройства, провоцирует снижение производительности, что мешает раскрыть потенциал NVMe. Исключить проблему можно, уделяя соответствующее внимание охлаждению. Чем плотнее компоновка устройств, тем производительнее должны быть вентиляторы, крупнее – радиаторы. Не рекомендуется размещать диски в серверной стойке слишком плотно. Это мешает нормальной циркуляции воздуха, затрудняет отвод избытков тепла.

Также нужно следовать ряду советов:

1. Запас емкости. Нужно рассчитывать общий объем NVMe SSD так, чтобы около 25 его процентов оставалось свободным. Это требуется для поддержания максимальной производительности. У некоторых моделей она сильно снижается при заполнении на 80 и более процентов.
2. Наладка точного мониторинга. Серверные администраторы должны постоянно отслеживать состояние дисков, реагировать на предупреждения системы о перегреве, программных и аппаратных сбоях.
3. Точный расчет системы питания. Актуален как для основной, так и для резервной линии. Требуется запас мощности около 15-20 процентов, чтобы исключить постоянную работу блоков питания, ИБП и другого оборудования под максимальной нагрузкой.

Подведение итогов

NVMe SSD на данный момент – высшая ступень в развитии накопителей информации. Устройства позволяют создать максимально надежные, производительные серверные комплексы, адаптированные к решению самых сложных задач, вычислительных, аналитических.

Ответственный подход к выбору дисков, их грамотная установка – все это позволит оптимизировать серверную инфраструктуру. Несмотря на то, что NVMe стоят дороже SATA и SAS, вложения на 100% оправданы многократным ростом быстродействия, отзывчивости, надежности системы.