Arrays de armazenamento Flash Inteligente
Como drives de estado sólido (SSDs) tornam-se uma parte crítica de armazenamento de hoje, é cada vez mais importante para aprender sobre os supercapacitores que ajudam a prevenir a perda de dados.
A presença - e do tipo - de supercapacitores em SSDs deve ser tão importante uma consideração como escolher entre MLC, eMLC e SLC baseados em unidades.
Supercapacitores em SSDs garantir que todas as gravações enviadas para o cache DRAM na unidade são escritos com sucesso no caso de uma queda de energia.
Para entender sua importância, precisamos de um pouco de lição de história. Os comos e os porquês dessa discussão vai ficar bastante técnico, mas eu farei o meu melhor para mantê-lo compreensível.
Amortecedor contra latência
Todos os discos rígidos modernos, sejam eles da variedade magnética fiação tradicional ou moderno persuasão estado sólido, tem um buffer de DRAM para melhorar o desempenho. (O buffer de DRAM é geralmente chamado de cache de disco, embora este é um uso incorreto em todos, mas algumas configurações.)
A DRAM na maioria das unidades de hoje é um 64MB insignificante, mas o hábito de ler e escrever muito mais dados do que 64 MB de cada vez. O resultado é algo que parece contra-intuitivo se você assumir que as funções de buffer DRAM em um simples primeiro-in, arranjo de última fora. Isso não acontece.
Discos magnéticos tem que mover fisicamente a "cabeça" para posições diferentes para executar leituras e gravações. O tempo que demora para receber um comando do sistema operacional do computador, mova a cabeça, executar a leitura ou escrita, depois a bomba ou os dados ou uma confirmação de volta para o sistema operacional é conhecido como latência.
Latência é ruim. Idealmente, você quer o menor tempo possível para passar entre a execução de suas várias leituras e gravações. Se um disco rígido magnético eram simplesmente para executar os comandos na ordem em que foram recebidos há toda a probabilidade de a cabeça voando por todo o lugar em um padrão muito aquém do ideal.
Resolver este problema é o ponto do buffer DRAM em uma unidade magnética tradicional: os comandos são executados fora do buffer na ordem em que mais reduz a latência.
Para discos magnéticos esta foi uma bênção e uma maldição. Para obter os melhores resultados com este pedaço de DRAM artifícios de buffer você precisa amortecer tanto lê e escreve. Se, entretanto, você usar DRAM do disco para o buffer e escreve o poder sai, essas gravações são perdidos.
Quando a energia é cortada DRAM perde todos os dados armazenados nele. Os arquivos são prestados corruptos e administradores de sistemas são chamados ao gabinete do chefe de cabelos pontudos com a porta fechada.
Os "três Rs": ler, escrever, RAID
Para evitar a perda de dados devido a falha de energia, a primeira opção é uma configuração de energia de backup realmente chutar a bunda.
Verifique se o seu servidor tem uma fonte de alimentação redundante com cada módulo de alimentação conectado a uma fonte de alimentação ininterrupta separado (UPS). Certifique-se de não UPS é carregado além ~ 40 por cento, para garantir que, se alguma coisa desagradável acontece à sua configuração de energia, um dos lados da UPS pode lidar com a carga completa.
Carregue o software UPS em seus servidores e configurá-los para desligar quando o no-break detecta uma queda de energia. Verifique se a UPS é grande o suficiente para se manter para o período completo exigido para encerrar todos os seus servidores. Ore para qualquer divindade que você acredita em repetidamente. Teste com freqüência.
A segunda opção é o backup de bateria em uma placa RAID. Aqui você desativar o cache em seus discos rígidos físicos e usar DRAM da placa RAID tanto como escrever e ler de buffer cache.
O cartão de RAID pode ser equipado com uma unidade de backup de bateria de modo que se houver falta de energia eo computador apaga as gravações são realizadas em DRAM até que o computador está de volta. O cartão de RAID, então, lavar as gravações nos discos.
Como você poderia esperar, desligando os buffers de DRAM em seus discos magnéticos leva a uma queda de desempenho enorme nesses discos. Os buffers de DRAM não pode ser definido como somente leitura: eles são ou eles estão fora. Você faz suas escolhas e você leva suas chances.
Que eu saiba, só LSI cartões 3ware fornecer uma solução para este dilema na forma de um recurso de gravação Jornal proprietário. Esta seção fora uma porção de DRAM da placa RAID para espelhar os buffers de DRAM nos discos individuais. Se o poder sai, então as gravações pendentes ainda estão armazenados na DRAM suporte de bateria da placa RAID.
Olha, sem centrifugação
Agora que você entende como isso tudo funciona, vamos olhar para SSDs. Em um SSD não há cabeça que se move através de um prato giratório para ler e gravar informações. Os impulsos elétricos são enviados para fichas constituídos por camadas múltiplas de circuitos integrados que respondem de várias maneiras, resultando em um ou "ler", "escrever" ou operação de "apagar".
Também ao contrário de discos magnéticos, SSDs ler e escrever em páginas, mas deve apagar em blocos, e cada gravação deve ser precedida de um apagamento. O tamanho de ambos os blocos de páginas e varia de acordo com o fabricante e do produto.
Vamos dizer que o tamanho da página é 4KiB e seu tamanho do bloco é 512KiB. Para ler um único bit do SSD seria necessário para ler uma página inteira 4KiB. Ele simplesmente não seria capaz de operar em incrementos menores. Mas, para escrever um único bit, um quarteirão inteiro 512KiB teria que ser apagada e todas as 128 páginas 4KiB reescrito.
O melhor dos melhores pen drives, os SLC, tem uma resistência típica de 100.000 gravações. Isso significa que você pode apagar um bloco e, em seguida, escrever algo para suas páginas cerca de 100.000 vezes antes que você nunca pode escrever para esse bloco novamente.
A idéia de apagar um bloco inteiro apenas para escrever um bit de dados é uma loucura absoluta
MLC é uma ordem de grandeza menos capaz, com o material consumidor de grau sendo tipicamente capaz de 10.000 gravações. eMLC (curto para a empresa MLC) pode ter 30.000 escreve para o exterior, embora 20.000 é mais comum.
Dados os limites de gravação de SSDs, a idéia de apagar um bloco inteiro apenas para escrever um bit de dados é uma loucura total. Tem que haver uma maneira melhor - e não há.
Em certo sentido, o uso de buffers de DRAM em SSDs não é tão diferente de seu uso em discos magnéticos. O buffer de DRAM em um SSD não é apenas um primeiro-in, first-out camada de armazenamento mais rápido entre o computador e as células NAND no SSD. O buffer de DRAM é como fabricantes de estender a vida útil de SSDs.
Gênio Matemática
SSDs são maravilhas da matemática. Cada um tem algoritmos proprietários que descobrir não só como tirar os dados sentado no buffer DRAM e escrevê-lo de forma mais eficiente para os blocos de flash, mas consolidar blocos de baixa densidade populacional em várias gravações, a fim de preventivamente blocos inteiros up gratuito para o futuro usar.
SSDs são também over-provisionado: um 960GB SSD normalmente contém 1,024GB de flash, com os blocos extras servem para ajudar a vestir nível da unidade. Quanto mais blocos você pode escrever para ao longo do tempo, a menos que você está apagando e reescrevendo todo o bloco individual e quanto mais tempo a vida útil da unidade.
Claro, buffers de DRAM em SSDs sofrem o mesmo problema que aqueles em discos magnéticos: cortar a energia e os dados no buffer está desaparecido. E escreve pendentes não são escritas, por isso é de volta para o escritório do chefe de cabelos pontudos para você.
Há também a possibilidade de que as consequências do fracasso são ainda piores com SSDs do que com disco giratório. Quanto maior o buffer de DRAM no SSD, os mais eficientes os algoritmos de extensão de vida são e, portanto, o buffer DRAM em SSDs tende a ser muito maior.
Você pode esquecer o truque do cartão RAID de desabilitar o buffer DRAM e contando com DRAM da placa RAID com suporte de bateria. Experimente e você vai aniquilar escrita a vida de seu SSD em pouco tempo.
Felizmente, SSD «consumo de energia mais baixo combinado com a latência de escrita significativamente mais baixa significa que não é uma solução simples e barata para o problema.
Se um trabalho vale a pena fazer ...
Supercapacitores são como baterias, mas o mais incrível. Dependendo de vários fatores, que possam desempenhar mais energia em um tempo menor do que as baterias. Eles também podem sobreviver mais ciclos de carga / descarga do que qualquer bateria.
Supercapacitores não pode armazenar quase tanta energia quanto uma bateria, e encadeando supercapacitores suficientes para chegar a níveis de bateria-como é bastante caro.
Isso é perfeitamente aceitável para SSDs, no entanto, como eles não precisam estar no por muito tempo para despejar o conteúdo de seu cache DRAM em flash. Normalmente, eles precisam manter-se por menos de um segundo.
Como você poderia esperar, o conselho oficial do registo é bastante clara: não, em hipótese alguma, usar SSDs que não estão equipados com supercapacitores para cargas de trabalho importantes.
SSDs equipado supercapacitor estão disponíveis a partir de quase todos os fabricantes de SSD lá fora, então não há absolutamente nenhuma desculpa para não usá-los. Se você tem SSDs não supercapacitor em serviço hoje, pense um pouco muito sério para substituí-los.
Wet contra seca
Nem todos os supercapacitores são iguais. Supercapacitores podem repartir-se em duas categorias principais: "úmido" e "seco".
Supercapacitores Wet desgastam com o tempo, um problema agravado por altas tensões de operação e / ou altas temperaturas. Não é inédito para SSDs da empresa moderna - especialmente com todos que a matemática inteligentes - para acabar em uma posição em que o flash vida gravação célula excede o tempo de vida dos supercapacitores destinadas a proteger a unidade.
A faixa de temperatura de trabalho estreito para supercapacitores molhadas significa que a prática comum da indústria de solda reflow linear não vai funcionar. Solda sem chumbo reflow linear tem picos de temperatura de 200 ° C.
Isso é muito longe do "até 70 ° C" a temperatura de operação de supercapacitores molhadas para esses componentes para resistir, mesmo que por um breve período de montagem.
Isso significa que os supercapacitores molhadas são soldados para SSDs com a mão, o que eleva o preço. Supercapacitores secos - ou pelo menos alguns deles - evitar muitos desses problemas. Eles são tipicamente anunciados como contendo ou tântalo ou de óxido de nióbio. Supercapacitores molhadas são geralmente baseados em alumínio.
Supercapacitores Wet baseados em grafeno e nanotubos de carbono promessa de mudar isso tudo de novo, mas também não estão disponíveis no volume.
Estude a química
"Classic" condensadores de tântalo utilizar o dióxido de manganês sólido (MnO2) como contra-eletrodo. Estes supercapacitores demonstraram excelente confiabilidade graças ao seu comportamento inerente de auto-cura.
Infelizmente, o mesmo voodoo químico que permite que os supercapacitores Ta-Mn para curar também leva a um pequeno problema com algumas pequenas explodindo em várias circunstâncias.
Para o disco, a parte de explosão é devido ao MnO2 ser utilizado como cátodo, a não utilização de tântalo.
Vendo como ter o seu $ 7500 PCI-E SSD explodir ao tentar salvar seus dados críticos durante uma queda de energia não seria o melhor resultado possível, o setor tem grande parte desistiu de tentar construir um circuito de limitação de corrente em suas supercapacitores e voltou-se para -polímero de tântalo (Ta-Poly) e óxido de nióbio.
Supercapacitores Ta-Poly também exibem os traços de auto-cura da variedade Ta-Mn, mas não fazê-lo tão facilmente. O resultado é um supercapacitores com mais corrente de fuga (embora esta está a ser trabalhado) e temperaturas de operação um pouco mais baixas (85 ° C contra 105 ° C).
Os custos são praticamente os mesmos para os dois tipos de condensadores de tântalo, como Ta-Mn requer mais extenso circuito de proteção de Ta-Poly, mas normalmente você vai precisar de um pouco mais de supercapacitores Ta-Poly para fazer o trabalho de Ta-Mn.
Óxido de nióbio tende a ser mais confiável do que Ta-Mn, lutando com o conjunto de rápida evolução de supercapacitores Ta-Poly como o sucessor de supercapacitores tântalo baseados em MnO2 clássicos.
No papel, óxido de nióbio é melhor do que Ta-Mn e Ta-Poly em quase todos os sentidos. Em 2013 houve uma explosão de hype sobre supercapacitores óxido de nióbio como o primeiro que pode realmente ser capaz de acabar com as baterias para aparelhos diárias e gadgets. Ainda estamos um pouco longe disso, mas eles estão começando a aparecer em SSDs.
O material de gravação
O ultra-conservadora a maioria dos gerentes de armazenamento não vai tocar discos com supercapacitores de óxido de nióbio, pela simples razão de que eles não têm sido no mercado há tempo suficiente para ter experimentado todos os casos limite.
Para aquelas pessoas há uma abundância de outras opções para você escolher. Para o resto de nós, no entanto, qualquer supercapacitor em nossas SSDs é melhor do que nenhum.
O nióbio é melhor do que o tântalo eo tântalo é melhor do que qualquer outra coisa. Faça o que fizer, não executar cargas de trabalho de produção, sem ter tempo para pensar sobre o que acontece se o poder sai.
Será que suas gravações a salvo? Por quanto tempo? Com o magnetismo e uma placa RAID suas gravações viver tanto tempo quanto backup de bateria do seu cartão de RAID. (Não se esqueça de testar e substituir regularmente.)
Com SSDs lastreados em supercapacitores, suas gravações são escritos imediatamente e seguro até que o flash nos degrada SSD. ®
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