Дата-центр без HDD: несбыточная мечта или возможная реальность?

На долю HDD приходится малая часть энергопотребления обычного сервера. Но если оценивать совокупное энергопотребление всех жестоких дисков внутри среднестатистического ЦОД можно получить довольно внушительную цифру. Именно поэтому замена HDD более перспективными (как в плане скорости, так и с точки зрения энергопотребления) твердотельными накопителями уже давно рассматривается многими операторами ЦОД в качестве возможности для дальнейшей минимизации эксплуатационных расходов. По мнению ряда экспертов, переход на SSD позволит не только снизить расходы на электроэнергию, но и высвободить пространство внутри монтажных стоек, а также снизить нагрузку на систему охлаждения. Тем не менее, существует немаловажный фактор, мешающий действительно массовому переходу корпоративных серверных ферм на SSD-накопители. Речь об их относительно высокой стоимости подобных устройств.

Но ведь стоимость флэш-памяти продолжает падать и вскоре твердотельные накопители вплотную приблизятся к HDD с точки зрения соотношения цены (общей стоимости владения) к емкости. Давайте оценим сегменты, в которых твердотельные накопители вскоре смогут реально заменить жесткие диски в дата-центрах, а также те сегменты, где подобный апгрейд в обозримом будущем будет оставаться нецелесообразным. Двигаться будем от нуждающихся в высокой скорости доступа и чувствительных к задержкам приложений до тех приложений, которые могут довольствовать низкой скорости доступа.

Чтение и запись

В случае ценных данных, доступ к которым необходимо получать очень быстро, твердотельные накопители в настоящее время уже постепенно вытесняют самые производительные HDD (со старостью вращения шпинделя от 10000 до 15000 оборотов в минуту) в сегменте ЦОД. Причем все большую популярность набирает флэш-память, подключаемая через слоты DIMM (вроде продуктов Diablo Technologies), которая использует шину памяти CPU и обеспечивает минимальные задержки доступа к данным, уступая лишь модулям DRAM, то есть примерно 5-10 мкс в режиме записи.

Чипы флэш-памяти типа NAND также стали все чаще появляться на текстолите размещаемых внутри серверных систем карт расширения с интерфейсом PCIe. Одним из лидеров данного сегмента мирового рынка устройств хранения выступает компания Fusion-io. Ее продукты характеризуются задержками доступа на уровне 75 мкс, что примерно в семь раз медленнее, чем флэш-модули с интерфейсом DIMM.

Но все же это огромный прорыв по сравнению с HDD. Ведь сервер, в котором вместо твердотельного накопителя с интерфейсом DIMM или PCIe установлен стандартный жесткий диск, будет получать доступ к данным с задержкой в 5-10 миллисекунд, что примерно в 1000 раз больше, чем в случае флэш-модулей с интерфейсом DIMM и в 100 раз больше, чем в случае PCIe-карт. В случае жесткого диска задержка доступа к данным отражает время, необходимое головке чтения / записи HDD для перемещения по поверхности магнитной пластины к нужному треку, а затем к нужной части трека. Подобное ожидание в случае механических устройств длится огромное количество времени по сравнению с твердотельными накопителями.

Но внутрисерверными накопителями / картами расширения ограничиваться не следует – не будем забывать и о твердотельных сетевых системах хранения данных. В настоящее время подобную продукцию на мировом рынке продвигает более полутора десятков поставщиков. Стартапы вроде Pure Storage и SolidFire преимущественно создают свои СХД «с нуля», стремясь повысить эффективность устройств и упростить управление потоками данных. Более крупные мэйнстримные поставщики уровня Dell, Hitachi Data Systems, Hewlett-Packard и NetApp разрабатывают флэш-версии своих существующих дисковых массивов, снабжая их унаследованными механизмами управления потоками данных. Но, несмотря на достаточно большое число доступных в продаже полноценных твердотельных СХД, наибольшим спросом в настоящее время пользуются скорее гибридные системы, которые сочетают SSD-накопители со стандартными жесткими дисками. Отдавая предпочтение таким устройствам, операторы корпоративных ЦОД стремятся найти компромисс между медленными HDD и дорогими накопителями на базе флэш-памяти.

Спасительное средство

Затраты на твердотельные накопители могут быть снижены с помощью дедупликации и сжатия. Представители вышеназванных стартапов утверждают, что эти технологии позволяют снизить стоимость SSD-накопителей из расчета на один гигабайт до $ 2 — $ 5, что уже ближе к цене гигабайта дискового пространства HDD. Они также утверждают, что, принимая во внимание возможность экономии ценного пространства в машзалах данные-центра, а также уменьшение нагрузки на системы электропитания и охлаждения, полноценные твердотельные СХД оказываются дешевле гибридов и СХД на базе жестких дисков.

Тем не менее, к заявлениям маркетологов всегда следует относиться крайне скептически. Да, дедупликация помогает снизить стоимость SSD-накопителей из расчета на один гигабайт, но до HDD пока еще далеко, ведь в случае жестких дисков рассматриваемый показатель приближается к $ 0.60 за один гигабайт. И да, если партия HDD будет приобретаться оптом, расходы окажутся еще ниже.

К тому же показатель плотности размещения данных на HDD также не стоит на месте. Американская компания Seagate Technology в этом месяце анонсировала 8-терабайтные диски с корпусами стандартного 3.5-дюймового форм-фактора. 3.5-дюймовые жесткие диски емкостью в 10 терабайт также не за горами. Следовательно, преимущество тех же 2.5-дюймовых SSD-накопителей, емкость которых пока что упирается в 4 терабайта, в плане экономии пространства внутри монтажных стоек становится менее очевидным.

Понятно, что в случае необходимости накопителей для резервного копирования и архивирования информации применение дорогой флэш-памяти становится малоцелесообразным. Но ситуацию может изменить новый тип флэш-памяти, который называется TLC (Triple-Level Сell). В данном случае в каждой ячейке памяти можно хранить 3-битовые значения. Это позволяет удешевить накопители при некотором снижении скоростных характеристик. Твердотельные накопители на базе флэш-памяти TLC NAND корпоративного класс уже продаются по более низкой стоимости, чем мэйнстримные устройства на базе технологии MLC (Multi-Level Cell), позволяющие хранить по 2 бита на ячейку, или самые быстрые накопители на базе технологии SLC (Single Level Cell ), позволяющие хранить по 1 биту из расчета на одну ячейку памяти. Однако, эти SSD все еще дороже, чем объемные жесткие диски с емкостью в 4 или 6 терабайта, шпиндели которых вращающихся со скоростью 7200 оборотов в минуту или 5900 оборотов в минуту (такие варианты наиболее целесообразно использовать для создания архивов). При этом с точки зрения стоимости из расчета на один гигабайт ленточные накопители все еще остаются вне конкуренции, если необходимо создать архив данных.

Need for speed

Когда доступ к данным в архиве необходимо получать очень быстро, флэш-память будет более привлекательным решением, чем магнитные пластины или лента, но такие случаи настолько редки, что у большинства вендоров нет даже соответствующих бизнес-кейсов.

Конечно, в теории применительно к такому архиву на базе флэш-памяти типа TLC можно использовать технологию дедупликации, что позволит поднять его эффективную емкость, но к настоящему моменту никто пока не вывел на рынок подобные системы ввиду отсутствия платежеспособного спроса.

Да, чипы флэш-памяти типа TLC уже сейчас достаточно часто используется в потребительских продуктах вроде USB-накопителей, но относительно короткий период полезной эксплуатации этого типа полупроводниковой продукции (нескольких сотен циклов записи) делает ее малопривлекательной с точки зрения использования в сегменте корпоративных продуктов.

Из всего вышеизложенного можно сделать следующий вывод: полный переход типичной серверной фермы на твердотельные накопители малоцелесообразен в настоящее время. Этот апгрейд может стать целесообразным и возможным, если стоимость флэш-памяти упадает и достигнет паритета с HDD.

Но есть еще одна проблема: в данный момент попросту не существует соответствующих производственных мощностей, способных справиться с удовлетворения спроса со стороны операторов коммерческих ЦОД, если те надумают полностью оказаться от HDD в пользу SDD-накопителей. Объем производства жестких дисков на фабриках по всему миру с точки зрения совокупной емкости значительно выше, чем в случае флэш-памяти. И с учетом того, что строительство фабрик для изготовления накопителей на базе флэш-памяти стоит от $ 7 млрд. до $ 9 млрд. за штуку, ситуация, скорее всего, не изменится кардинальным образом в среднесрочной перспективе.

И этим фактором ни в коем случае нельзя пренебрегать. Дата-центрам, где будут использоваться исключительно твердотельные накопители, потребуется примерно такая же общая емкость дискового пространства, как и в случае современных ЦОД, в которых преобладают СХД на базе жестких дисков и гибридные (флэш / жесткий диск) системы хранения данных.

Но уделять повышенное внимание следует не только данным о производственных мощностях: эксперты исследовательской компании IDC считают, что в будущем операторы корпоративных дата-центров будут сталкиваться с возрастающим числом копий производственных данных хранящихся на различных СХД. Таких копий может быть по семь или более. Причиной в данном случае можно назвать специфику процессов тестирования и разработки новых продуктов, необходимость защиты информации и так далее.

Кроме того, владельцы фабрик по производству чипов флэш-памяти, вероятнее всего, будут избегать накопления излишков продукции и, как следствие, ее удешевления. Ведь пару лет назад они могли наблюдать страшные последствия перепроизводства в сегменте модулей ОЗУ, которое сделало многие предприятия убыточными и привело к активной консолидации поставщиков. Иными словами, новые фабрики по производству чипов флэш-памяти будут появляться крайне медленно.

Рост емкости

Но вендоры не перестают работать над повышением емкости чипов флэш-памяти, увеличивая плотность записи информации посредством уменьшения размеров ячеек памяти, а также путем многослойной компоновки ячеек (так называемая технология 3D NAND). Но работа в этом направлении вряд ли позволит производителям SSD-накопителей вытеснить вендоров, специализирующихся на производстве HDD, из сегмента дата-центров в ближайшие несколько лет. Для этого потребуется много новых фабрик, и нет никаких признаков, что достаточный объем инвестиций действительно будет направлен на возведение новых производственных мощностей.

Если ограничиваться теорией, то, да, вы могли бы создать дата-центр, все накопители внутри которого будут основываться на флэш-памяти со всеми вытекающими преимуществами. Но это, скорее всего, заставить вас хранить все копии непроизводственных данных и прочую информацию, которая не является критически важной, за пределами ЦОД – то есть в облаке. Физически эта информация не будет находиться в вашем дата-центре, но логически – будет. Поэтому, с практической точки зрения, ответ на вопрос, является ли строительство дата-центра с использованием исключительно твердотельных накопителей возможным, будет скорее отрицательным. Возможно, через пять или десять лет на этот вопрос можно будет дать утвердительный ответ, но не сейчас.