HIGH PERFORMANCE SOLID STATE DRIVES IM SERVEREINSATZ - Thomas-Krenn
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HIGH
PERFORMANCE
SOLID STATE DRIVES
IM SERVEREINSATZ
Inhaltsverzeichnis
3| SSDs im Servereinsatz
4| Frische Chips – So funktionieren SSD-Speicher
Festplatte im Vergleich
Aufbau
Die dritte Dimension
3D XPoint: Widerstände statt Transitoren
Schreibtechniken
Write Amplification
Lebensdauer
Power Loss Protection
Einsatzgebiete
Fazit
12| Verbindungstechnik - Protokolle, Schnittstellen und Formfaktoren
Serial ATA
NVMe
Serial Attached SCSI (SAS)
M.2
U.2
Ausblick – Ruler SSDs
Fazit
16| SSD-Performance messen und optimieren - Schnelligkeit ist keine Hexerei
IOPS, Latenz und Durchsatz
Bestimmen der Baseline Performance-Software
Spare Area vergrößern
Secure Erase
Partition Alignment
ATA TRIM
Fazit
22| Flash-Stapel mit Turbo - SSD-RAIDs mit optimaler Performance betreiben
SSDs und RAID-Controller
Tuningmaßnahmen
Gesundheitszustand von SSD und RAID überwachen
RAID-Konsistenz prüfen
Checkbox für SSD-RAIDs
Fazit
30| Glossar
thomas-krenn.com | 3 SSDs im Servereinsatz Solid State Drives haben in Notebooks und PCs die 2018 neu strukturiert, umfassend überarbeitet klassischen Festplatten nahezu verdrängt. Auch im und aktualisiert. Um eine bessere Orientierung Serverumfeld setzen sich All-Flash-Systeme immer zu gewährleisten ist dieses E-Book in vier Kapitel mehr durch. Die populären Performance-Wunder unterteilt: Die Erläuterung der SSD-Technik macht versprechen eine deutlich höhere I/O-Performance dabei den Anfang, um etwaige Unklarheiten von als herkömmliche Festplatten – und das bei vornherein auszuschließen. Im zweiten Teil geht es niedrigerem Stromverbrauch. Größere Leistung und um die vielfältigen Protokolle und Interfaces, mit bessere Energieeffizienz werden so möglich. Da sich denen SSDs im Server betrieben werden können. Im diese Technik aus diesem Grund immer größerer dritten Teil des E-Books finden sich Informationen Beliebtheit erfreut, tragen auch die Autoren der zur Performance-Messung und zur Erhöhung der Thomas-Krenn.AG dazu bei, neue Trends zu klären Leistung einzelner SSDs. Performance-Tuning und sonstige hilfreiche Hinweise zu geben. Dieses bei SSD-RAIDs bildet schließlich das vierte und E-Book basiert auf mehreren Fachartikeln, die in letzte Kapitel. Als kleine Ergänzung findet sich am den vergangenen Jahren im ADMIN Magazin und im Ende des E-Books außerdem ein Glossar mit den IT-Administrator erschienenen sind. Diese wurden wichtigsten Schlagwörtern zum Thema SSD. Dieses Ebook entstand in Zusammenarbeit mit:
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Frische Chips
So funktionieren SSD-Speicher
Das erste Kapitel dieses E-Books kümmert sich um als Festplatten. Während Festplatten die Daten auf
die Funktionsweise der SSDs. Ebenso zeigt es auf mehreren Magnetscheiben speichern, nutzen SSDs
wann sich der Einsatz einer SSD lohnt. mehrere Flash-Chips für die Datenspeicherung.
Da bei SSDs keine mechanischen Teile wie bei
SSDs haben mit normalen Festplatten nur eine Festplatten bewegt werden, sind vor allem zufällig
Gemeinsamkeit: Beide Medien speichern Daten. verteilte Datenzugriffe deutlich schneller.
Intern arbeiten SSDs allerdings vollkommen anders
Festplatte im Vergleich
Um die Performance von SSDs mit Festplatten aus Seek Time und Latency Time ergibt die Random
zu vergleichen, lohnt zuvor ein kurzer Blick auf Access Time (mittlere Zugriffzeit). Diese beträgt je
den Aufbau herkömmlicher Festplatten. Diese nach Festplatte und deren Drehzahl zwischen fünf
speichern die Daten auf mehreren rotierenden und 15 Millisekunden, was 200 respektive 66 IOPS
Magnetscheiben. Die Daten werden dabei mit (I/O-Operationen pro Sekunde) entspricht. SSDs
Schreib-/Leseköpfen auf die Scheiben geschrieben erreichen im Vergleich dazu mehrere zehntausend
beziehungsweise von diesen gelesen. Soll nun oder sogar hunderttausend zufällig verteilte IOPS.
ein zufälliger Sektor von der Festplatte gelesen Bei kontinuierlichen Datentransfers ergibt sich
werden, muss die Festplatte den Schreib-/Lesekopf jedoch ein anderes Bild. Zwar können über SATA
an die richtige Stelle bewegen (Seek Time) und angebundene SSDs zu Beginn über 500 Mbyte/s
dann darauf warten, dass der gewünschte Sektor liefern. Mit höherem Füllstand der SSD sinkt
auf der rotierenden Scheibe unter dem Schreib-/ diese Rate jedoch zum Teil deutlich ab. Wie stark
Lesekopf vorbeifährt (Latency Time). Die Latency die Datenrate zurückgeht, hängt u.a. von den
Time beträgt dabei im Mittel die Dauer, welche für Algorithmen im SSD-Controller ab.
eine halbe Umdrehung notwendig ist. Die Summe
Aufbau
SSDs (Solid State Drives) sind nichtflüchtige gemeinsam entwickelt. Intel vermarktet sie unter
Datenspeicher ohne bewegliche Teile. Derzeit dem Namen Optane. Sie benutzen keine EEPROMs,
kommen in den allermeisten SSDs Flash-EEPROMs sondern eine widerstandsbasierte Technik, deren
mit NAND-Technologie zum Einsatz. Die ersten Details nicht genau bekannt sind. Die folgende
Speicher dieser Art wurden bereits 1989 von Toshiba Beschreibung von Aufbau und Funktionsweise von
entwickelt. Seinen Siegeszug trat Flash-Speicher SSDs bezieht sich, wenn nicht anders erwähnt,
dann mit der Entwicklung von Digitalkameras jedoch immer auf die verbreiteten NAND-Speicher.
und anderen Consumer-Geräten wie MP3-Playern
an. Mittlerweile sind jedoch auch Flash-Speicher Die kleinste Einheit in einem NAND-Flash-Chip einer
auf dem Markt, die nach einem völlig anderen SSD ist die Speicherzelle. Je nach Typ speichert eine
physikalischen Prinzip funktionieren. Diese 3D einzelne Speicherzelle ein oder mehrere Bits:
XPoint-Speicher wurden von Micron und Intel
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_SLC (Single Level Cell) 1 Bit kleinste Struktur, die vom SSD-Controller gelesen
_MLC (Multi Level Cell) 2 Bits oder beschrieben werden kann. Allerdings kann der
_TLC (Triple Level Cell) 3 Bits SSD-Controller den Inhalt einer bereits
beschriebenen Page nicht löschen oder verändern.
Eine SLC unterscheidet zwei Ladungszustände, Eine Page ist je nach Fertigungsstrukturbreite vier,
eine MLC vier und eine TLC acht. Die angelegte acht oder 16 Kibibyte (KiB) groß. Mit MLCs entspricht
Spannung beim Schreiben auf eine Speicherzelle ist das 16 384 bis 65 536 Speicherzellen.
allerdings fix. Daher muss bei einer MLC für einen
Schreibvorgang bis zu vier Mal Spannung angelegt Mehrere Pages sind in Blöcken zusammengefasst.
werden, um in den höchsten Ladungszustand zu Ein solcher Block besteht beispielsweise aus 128
kommen. Bei einer SLC reichen maximal zwei solcher bis 512 Pages und fasst damit 512 KiB bis acht
Vorgänge – die Schreibperformance ist damit MiB an Daten. Ein Block ist die kleinste Einheit,
höher. TLCs erfordern bis zu acht Mal Spannung. Am die der SSD-Controller löschen kann, indem er
Anfang der SSD-Entwicklung kamen für Server SLC- eine Löschspannung am gesamten Block anlegt.
oder allenfalls MLC-Chips zum Einsatz. Mittlerweile Erst nach dem Löschen eines Blocks kann der
sind TLC-SSDs auch im Enterprise-SSD-Markt üblich. SSD-Controller die einzelnen Pages wieder neu
beschreiben. 1024 Blöcke bilden eine Plane.
Bei jedem Anlegen von Spannung kommt es zu
einer kleinen Abnützung der Isolationsschicht der Vier Planes sind z.B. auf einem Die untergebracht,
Speicherzelle. Da für einen einzelnen Schreibvorgang wie Abbildung 1 zeigt. Ein Die ist dabei etwa so
auf eine MLC öfter Spannung angelegt wird als bei groß wie ein Fingernagel (167 mm^2). In der
einer SLC, verträgt die MLC weniger Schreibvorgänge Produktion werden circa 200 bis 300 Dies aus einem
(sogenannte Program/Erase Cycles oder p/e-Zyklen). Wafer gewonnen. Je nach gewünschter Kapazität
MLCs haben meist eine Lebensdauer zwischen 10 landen ein bis acht Dies in einem Thin small-outline
000 und 30 000 p/e-Zyklen, SLCs rund 100 000 p/e- package (TSOP) – jene schwarzen Chips, wie sie
Zyklen. Die TLC-Modelle bewegen sich auf einem auch auf Speichermodulen vorhanden sind. Eine
viel niedrigerem Niveau von etwa 1000 p/e Zyklen. SSD besteht schließlich aus bis zu zehn TSOPs und
Mehrere Speicherzellen bilden eine Page. Sie ist die einem SSD-Controller.
Abbildung 1: Die eines Flash-Chips mit vier Planes. Quelle: Intel
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Die dritte Dimension
Da sich die Strukturbreite aus physikalischen MLCs liegen. Ein weiterer Vorteil der 3D-Technologie
Gründen nicht beliebig verkleinern kann, sind die besteht darin, dass dank der Nutzung von drei
Hersteller dazu übergegangen, die Zellen nicht Dimensionen trotz größerer Strukturbreite die
mehr nur nebeneinander in der Fläche (planar) Verbindungswege zwischen den einzelnen Zellen
anzuordnen, sondern übereinander zu stapeln. kürzer werden, was auch die Zugriffzeiten senkt. 3D
Diese 3D-Techniken kommen sowohl bei NAND- stellt hohe Anforderungen an die lithographischen
Speichern als auch, wie der Name schon sagt, bei Verfahren bei der Herstellung. Beispielsweise ist
den neuartigen 3D XPoint Speichern zur Anwendung. es sehr schwierig, in übereinander geschichteten
Zellen die so genannte Floating-Gate-Elektrode
Die Hersteller von Flash-Speicher setzen bei aus polykristallinem Silizium in den einzelnen
3D-NAND ein jeweils unterschiedliches Design ein, Transistoren der NAND-Gatter zu implementieren,
das heißt, die 3D-Technologie gibt es nicht. Sowohl die den Ladungszustand der Zellen dauerhaft
MLC- als auch TLC-Zellen sind verbreitet, manche speichert. Deshalb kommt bei 3D NAND meist das
Hersteller haben auch Quadruple Level Cells (QLC) alternative Charge Trap Verfahren zum Tragen, bei
mit vier Bits in der Entwicklung. dem die Ladung in einer dünnen Siliziumnitrid-
Schicht gespeichert wird. Dieses Verfahren ist bei
Derzeit kommen 3D NAND Speicher mit 32 oder planarem 2D MLCs deutlich teurer in der Produktion,
64 Lagen zum Einsatz, an Chips mit 96 Lagen wird weshalb dort Floating-Gate-Elektroden zum Einsatz
entwickelt. Im Allgemeinen ist die Strukturbreite von kommen. Es hat aber weitere Vorteile, wie niedrigere
3D-Speicher deutlich größer als bei planarem. Das Spannungen zum Schreiben der Zelle und kürzere
heißt, die Zellen sind größer und damit steigt auch die Schreibzeiten. 3D-NAND-Speicher haben deshalb
Haltbarkeit der SSDs. TLCs können damit p/e-Zyklen einen geringeren Stromverbrauch und lassen sich
erreichen, die etwa auf dem Niveau von planaren schneller beschreiben.
3D XPoint - Widerstände statt Transistoren
3D XPoint ist eine gemeinsame Entwicklung von Bit einzeln geschrieben werden, was zumindest
Intel und dem Halbleiter-Spezialisten Micron. Im prinzipiell das komplexe blockweise Schreiben
Vergleich zur NAND-Technik beruht sie auf völlig (siehe nächster Abschnitt) überflüssig machen
anderen physikalischen Prinzipien und kommt kann. Der Verzicht auf Transistoren ermöglicht eine
ohne Transistoren aus. Bislang sind so gut wie wesentlich höhere Speicherdichte. Intel und Micron
keine Details über die eigentliche Funktionsweise geben hier das Vier- bis Zehnfache im Vergleich zu
bekannt. Als sicher kann aber gelten, dass herkömmlichen SSDs an. Hinsichtlich der Lese- und
eine widerstandsbasierte Speicherung zum Schreibgeschwindigkeit geben die Hersteller das
Einsatz kommt. Ein 3D-XPoint-Speicher bildet Potential auf das bis zu Tausendfache von SSDs
ein dreidimensionales orthogonales Gitter aus an. Damit wird selbst der PCIe-Bus zu langsam,
vertikalen und horizontalen Strukturen. An und entsprechend positioniert sich die Technologie
den Schnittpunkte des Gitters liegt jeweils eine als ein Hybrid von DRAM und SSD, langsamer als
Speicherzelle, die ein Bit speichert. herkömmliche DIMMs, aber wesentlich schneller
Im Gegensatz zu NAND-Speicher kann hier jedes als Flash.
thomas-krenn.com | 7 Intel vermarktet 3D-XPoint-Produkte unter März 2018 noch kein eigenes Produkt auf den Markt dem Label Optane, Entwicklungspartner Micron gebracht. verwendet die Bezeichnung QuantX, hat aber bis Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines 3D XPoint-Gitters. Quelle: Intel Als aktuell einziges Optane-Produkt für den Prozent das Medium beschrieben ist [1]. Im Internet Enterprise-Markt bietet Intel aktuell die SSD DC verfügbare Benchmarks zeigen aber, dass der P4800X mit 375 oder 750 GB an. Sie wird über Performance-Vorsprung bei anderen Parametern den PCIe-Bus angeschlossen und verhält sich wie sehr gering ausfällt bzw. dass schnelle NAND- eine normale SSD, beeindruckt aber durch extrem basierte SSDs sogar eine leichte Überlegenheit niedrige durchschnittliche Latenzen (Abbildung 3). zeigen [2]. Zudem ist die Leistung unabhängig davon, zu wieviel Abbildung 3: Latenzen von Optane P4800X im Vergleich zu einer herkömmlichen Enterprise-SSD DC S4600.
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Intel hat zudem eine Technik namens Memory [1] Intel Memory Drive unter Linux installieren (https://www.intel.
com/content/dam/support/us/en/documents/memory-and-storage/
Drive entwickelt, die es erlaubt, die DC P4800X intel-mdt-setup-guide.pdf)
so in den Server einzubinden, dass sie das
Betriebssystem als RAM erkennt. Dieses Feature [2] TKperf-Benchmarks der Optane-SSD DC P4800X (https://www.
thomas-krenn.com/de/wikiDE/images/9/92/TKperf-Report-Inte-
wird derzeit nur von Linux unterstützt [3] und lOptaneP4800X-375GB.pdf)
erfordert eine Xeon E5 oder E7 CPU. Das ist vor
allem für große In-Memory-Datenbanken oder [3] Anwendungs-Benchmarks der Optane-SSD DC P4800X (https://
www.servethehome.com/intel-optane-hands-on-real-world-
andere I/O-intensive Anwendungen bei großen benchmark-and-test-results/)
Datenmengen interessant, etwa bei Machine
Learning. Denn Optane-SSDs sind zwar im Vergleich
zu herkömmlichen SSDs extrem teuer, aber
gegenüber der gleichen Menge DRAM kostet das
GByte dennoch nur einen Bruchteil davon.
Schreibtechniken
Die geschilderte interne Funktionsweise einer SSD auf einer vollgeschriebenen SSD keine Daten mehr
erfordert spezielle Schreibtechniken, um sowohl eine verändern. Daher hat jede SSD eine sogenannte
hohe Performance als auch eine lange Lebensdauer Spare Area. Typischerweise beträgt die Größe dieser
der SSD zu erreichen. Das erstmalige Beschreiben Spare Area zwischen sieben und etwa 80 Prozent
einer neuen SSD ist dabei noch einfach. Alle Blöcke der Nennkapazität einer SSD. Eine 400-GByte-SSD
(und somit auch alle Pages) sind gelöscht. Neue kann etwa tatsächlich über 720 GByte verfügen, 320
Daten schreibt der SSD-Controller direkt auf die GByte versteckt die SSD aber vor dem Betriebssystem
entsprechenden Pages. Schwieriger wird es, sobald und nutzt diese Datenmenge als Spare Area. Mit
bereits vorhandene Daten verändert werden. fortschreitender Nutzungsdauer verändern sich
immer mehr vorhandene Daten. Mehr und mehr
Ohne zusätzliche Mechanismen müsste der SSD- Pages markiert der SSD-Controller als ungültig.
Controller sämtliche Pages eines Blocks zuerst Einzelne Blöcke enthalten nur mehr 40 bis 60
in einen Cache einlesen, anschließend den Prozent echte Daten, die restlichen Pages darin sind
gesamten Block löschen, um abschließend die ungültig und können vorerst nicht weiter genutzt
zwischengespeicherten Pages versehen mit den werden. Bevor nun die Spare Area zur Neige geht,
Änderungen wieder in den Block zu schreiben. räumt der SSD-Controller auf. Bei dieser Garbage
Die Änderung eines einzelnen Bits würde so das Collection kopiert der SSD-Controller die noch
Lesen, Löschen und Neuschreiben von bis zu acht gültigen Pages eines Blocks in einen freien Block, der
MiB an Daten verursachen. Das vermeidet der SSD- damit nur teilweise gefüllt ist. Die restlichen Pages
Controller mit einem einfachen Trick. Wenn er Daten dieses neuen Blocks bleiben noch unbeschrieben
einer Page verändert, schreibt er dazu einfach und können für weitere Schreiboperationen genützt
die neuen Daten in eine andere Page, die noch werden. Den ursprünglichen Block löscht der SSD-
gelöscht ist. In einer internen Zuordnungstabelle Controller danach. Somit sind alle Pages dieses
vermerkt der Controller dabei, dass die Daten der gelöschten Blocks wieder beschreibbar. Abbildung
logischen LBA-Adresse A nun nicht mehr in Page X, 3 zeigt ein solches Beispiel.
sondern in Page Y zu finden sind. Die ursprüngliche
Page X markiert er als ungültig. Damit diese Wie eingangs erwähnt, ist die Anzahl der möglichen
Methode funktioniert, benötigt der SSD-Controller Schreibvorgänge (p/e-Zyklen) pro Speicherzelle
zusätzliche Speicherkapazität. Ansonsten könnte er begrenzt. Sollen nun neue Daten gespeichert
thomas-krenn.com | 9 werden, schreibt der SSD-Controller daher immer zuerst auf Pages, die noch wenig abgenützt sind. Dieser Vorgang wird als Dynamic Wear Leveling (dynamische Abnutzungsverteilung) bezeichnet. Dynamisch deshalb, weil nur neue oder veränderte Daten verteilt werden. Im Beispiel von Abbildung 4 sind viele Pages ungültig, weil deren Daten verändert und woanders abgespeichert wurden. Die Garbage Collection macht die ungültigen Bereiche wieder nutzbar. Diese Methode erhöht die Lebensdauer der SSD. Daten, die nur einmal geschrieben werden und sich danach nicht mehr ändern, bleiben damit aber auf ihren Pages. Static Wear Leveling geht daher einen Schritt weiter und verschiebt auch solche Daten periodisch auf andere Pages, die schon mehr abgenützt sind. Damit werden tatsächlich alle Pages einer SSD gleichmäßig abgenützt und die Lebensdauer der SSD steigt weiter. Abbildung 4: Viele Pages sind ungültig, weil deren Daten verändert und woanders abgespeichert wurden. Die Garbage Collection macht die ungülti- gen Bereiche wieder nutzbar. Write Amplification Durch die geschilderten Algorithmen werden naturgemäß zu einer höheren Abnutzung und einmal geschriebene Daten, selbst wenn sie nicht damit geringeren Lebensdauer. Manche SSD- verändert werden, in andere Pages kopiert (etwa Controller (etwa von Sandforce) versuchen, durch durch Garbage Collection oder Static Wear Leveling). eine Komprimierung der Daten im SSD-Controller Ein geschriebenes Byte kann also mit der Zeit vom die nötigen Schreibvorgänge zu reduzieren, um SSD-Controller durchaus mehrfach kopiert werden damit die Abnutzung zu reduzieren. Eine weitere und somit zu mehreren Schreibvorgängen führen. Möglichkeit ist die Vergrößerung der Spare Area. Der Faktor, wie oft es statistisch zu einem solchen Dadurch sinkt zwar die nutzbare Kapazität, da aber Kopiervorgang kommt, wird als Write Amplification seltener eine Garbage Collection erforderlich ist, bezeichnet. Eine hohe Write Amplification führt steigt dennoch die Lebensdauer der SSD. Lebensdauer Die Lebensdauer von SSDs ist durch die Lebensdauer stattdessen einen Spare Block aus der Spare Area. Es der Speicherzellen begrenzt. Mit fortschreitender kommt dabei also zu keinem Datenverlust. Es sinkt Nutzung können vermehrt Blöcke ausfallen. Wobei nur die Anzahl der Spare Blöcke. Einzelne Bitfehler ein „Ausfall“ dabei relativ ist. Je mehr p/e-Zyklen können zwar auftreten (raw bit error rate, RBER), stattfinden, umso länger dauert das Löschen werden aber durch ECC-Mechanismen korrigiert. eines Blocks. Überschreitet diese Zeit zum Löschen Erst bei zu vielen Bitfehlern greift ECC nicht mehr, einen bestimmten Schwellwert, markiert der SSD- und es kommt zu einem unkorrigierbaren Fehler Controller diesen Block als „Bad Block“ und nutzt (uncorrectable bit error rate, UBER).
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Damit die Lebensdauer von unterschiedlichen Zeitraums, meist in der Garantiezeit, pro Tag
SSDs einfach vergleichbar sind, hat die JDEC Solid vollständig beschrieben werden kann. Dazu wird,
State Technology Association die beiden Standards abgesehen vom Zeitraum und der Kapazität des
JESD218 (SSD Requirements and Endurance Test Mediums, der nach dem JDEC-Standard ermittelte
Method) und JESD219 (SSD Endurance Workloads) TBW-Wert benötigt.
verabschiedet.
Einige SSDs geben auch per SMART Auskunft über
Damit können Hersteller die Lebensdauer ihrer SSDs die verbleibende Lebensdauer (Media Wearout
in TBW (Terabytes Written, geschriebene Terabytes) Indicator)[4]. Generell ist die zu erwartende
angeben. Ausgehend von dieser Metrik hat sich mit Lebensdauer von SSDs bei normalen Schreibmengen
DWPD (Drive Writes Per Day) eine weitere Kennzahl durchaus mit jenen von Festplatten vergleichbar,
etabliert, die die Lebensdauer von Festplatten in der Praxis oft sogar höher, da bei es bei SSDs
besser untereinander vergleichbar macht. Sie gibt zu keinen mechanischen Ausfällen (wie etwa
an, wie oft die SSD im Verlauf eines bestimmten Headcrashes bei Festplatten) kommen kann.
Power Loss Protection
Wenn das Betriebssystem einen Schreibbefehl an die genannte Power Loss Protection. Dazu wird ein
SSD sendet, gelangen die Daten zunächst in einen Kondensator beim Einschalten der SSD aufgeladen.
flüchtigen DRAM-Speicher auf der SSD. Der Controller Bei einem kurzzeitigen Stromausfall stellt er dann
nimmt dann die im Abschnitt „Schreibtechniken“ genug Energie zur Verfügung, um alle im DRAM
erläuterten Optimierungen vor, bevor er die Daten vorhandenen Daten auf den Flash-Speicher zu
physikalisch auf den Flash-Speicher schreibt. Dem schreiben.
Betriebssystem werden aber die Daten schon als
geschrieben gemeldet, sobald sie im DRAM sind. Da die Kondensatoren vergleichsweise teuer
Der DRAM enthält zudem eine ständig aktualisierte sind, ist die diese Art der Power Loss Protection
Mapping-Tabelle, das Flash Translation Layer höherpreisigeren SSDs vorbehalten. Günstigere
(FTL), das die Zuordnung von logischen Adressen Modelle verwenden ein Journaling-System, bei
in physikalische übernimmt. Das heißt, bei einem dem die FTL und ein Journal in regelmäßigen
Stromausfall können sowohl Nutzerdaten als auch Abständen auf den Flash-Speicher geschrieben
das aktuelle FTL verloren gehen. werden, so dass bei einem Stromausfall zumindest
die Datenkonsistenz zu einem vorangegangenen
Um sich dagegen zu schützen, besitzen Enterprise Zustand wiederhergestellt werden kann.
SSDs und auch manche Consumer SSDs eine so
Einsatzgebiete
Bei Einzelplatz-PCs und Notebooks ist der bei Notebooks die Akkulaufzeit erhöht. Außerdem
Einsatzzweck schnell beschrieben. SSDs ersetzen ist eine SSD geräuschlos, was der Ergonomie bei der
dort einfach die herkömmlichen Festplatten. Arbeit zugutekommt.
Damit fährt der Rechner schneller hoch, einzelne
Programme starten rascher und das Arbeiten am PC Im Serverumfeld lohnt es sich hingegen, genauer
ist flüssiger. Der Stromverbrauch sinkt, so dass sich hinzuschauen, denn dort ergeben sich verschiedenethomas-krenn.com | 11
Einsatzmöglichkeiten, da zumindest in sehr naher schützt vor Datenverlust beim Ausfall einer
Zukunft wird die Festplatte dort auch noch eine einzelnen SSD. SSDs können darüber hinaus auch
Rolle spielen wird, vor allem, wenn es um große als beschleunigender Schreib-/ Lesecache in
Datenmengen geht. Denn immer noch verursacht einem RAID-Verbund mit normalen Festplatten
das Speichern auf Festplatten nur einen Bruchteil genutzt werden. Bei Adaptec nennt sich diese
der Kosten pro Terabyte im Vergleich zur SSD. Technologie maxCache und Broadcom benennt sie
als CacheCade.
Wenn jedoch viele zufällige I/O-Zugriffe auf
Datenmengen im unteren Terabyte-Bereich oder
Neben dem Caching ist auch Storage Tiering ein
weniger erfolgen, spielen SSDs ihre Vorteile voll aus,
weiterer Weg, um mittels eine Symbiose von HDDs
hier lohnen sich also All-Flash-Systeme definitiv.
und SSDs hohe Performance trotz niedriger Storage-
Datenbank-Anwendungen sind solche Fälle.
Kosten zu erreichen.
Eine Spiegelung von SSDs mit einem RAID 1
Fazit
SSDs sind nach wie vor mit höheren Einstiegskosten Controller implementiert hat. Nach der Erarbeitung
verbunden. Sie zahlen sich aber durch ihre hohe der Grundlagen der SSD-Technik zeigt das nächste
I/O-Performance oft sehr schnell aus. Entscheidend Kapitel, über welche Protokolle und Schnittstellen
für eine gute Performance ist aber die Qualität, SSDs im Server angebunden werden.
wie gut der Hersteller die Algorithmen im SSD-thomas-krenn.com | 12
Verbindungstechnik
Protokolle, Schnittstellen und Formfaktoren
Es ist vielfach immer noch üblich, SSDs als Eins- flexibler in der Form sein, und zweitens wird bei
zu-Eins-Ersatz für Festplatten zu sehen, also ein der Datentransferrate die SATA-Schnittstelle zum
Device im 2,5-Zoll-Formfaktor an eine SATA- oder Flaschenhals. Es ist also nicht verwunderlich,
SAS-Schnittstelle anzuschließen. Aus zwei Gründen dass SSDs an schnellere Schnittstellen wie PCIe
ist es aber sinnvoll, hier mehrere Optionen in angeschlossen werden, womit dann auch andere
Betracht zu ziehen. Ersten können SSDs aufgrund Formfaktoren einhergehen.
der fehlenden mechanischen Teile wesentlich
Serial ATA
Serial ATA (SATA) ist der übliche Weg, Storage- seitens der Hersteller von Storage-Medien, so dass
Medien anzuschließen. SATA-Medien sind preiswert er in der Praxis keine Rolle spielt.
und mit hohen Kapazitäten verfügbar. Anwender
müssen auch kaum mit Kompatibilitätsproblemen SATAe darf nicht mit eSATA verwechselt werden,
rechnen. Es gibt drei Generationen des SATA- einer seit SATA II verfügbaren Anschlussart für
Standards, inoffiziell meist als SATA I, SATA II externe Medien. Diese beruht auf den regulären
und SATA III, bezeichnet. Die Generationen sind SATA-Protokollen, legt aber für Konnektoren und
zueinander abwärtskompatibel. Eine SATA-III- Kabel andere elektrische Eigenschaften fest, um den
Platte passt also auch immer an einen SATA-I- sicheren Betrieb von externen Geräten und längere
Anschluss. Der Unterschied der Generationen liegt Kabel zu ermöglichen. Im Consumer-Bereich spielt
in der maximalen Übertragungsrate. Generation I SATAe im Vergleich zu USB nur eine geringe, und bei
transportiert brutto bis zu 1,5 GBit/s, Generation II Servern gar keine Rolle.
bis zu 3 GBit/s und Generation III 6 GBit/s. In der Aus zwei Gründen ist SATA den Möglichkeiten
Praxis resultiert daraus eine Bandbreite von etwa der SSDs auf Dauer nicht gewachsen und wird
600 MByte/s. zum Flaschenhals. Zudem einen ist es die
Übertragungsrate zu gering, zweitens ist das
Ein weiterer SATA-Standard, nämlich SATA Express von SATA-Geräten verwendete Protokoll AHCI für
oder SATAe, wurde von den Mainboard-Herstellern magnetische Festplatten mit ihren hohen Latenzen
speziell im Hinblick auf SSDs entwickelt und lässt und sequentiellem Schreiben und Lesen entwickelt
sowohl SATA- als auch PCIe-Geräte am gleichen worden. SSDs bieten die Chance auf parallele
Anschluss zu. Dieser Standard mit Bandbreiten von Zugriffe, die aber von AHCI nur bedingt genutzt
bis zu 16 GBit/s fand jedoch keine Unterstützung werden kann.
NVMe
NVM Express (NVMe) hingegen ist ein auf SSDs Augenmerk auf optimierte Kommando-Verwaltung
optimiertes Protokoll für den PCIeBus. Die (Submission und Completion) entwickelt. Aufgrund
Spezifikation an sich ist nicht auf SSDs limitiert, der hohen Geschwindigkeit von PCIe-SSDs wurde
sondern allgemein auf non-volatile (persistente) außerdem darauf geachtet, dass möglichst
Speicher ausgelegt. Das Protokoll wurde mit viele Kommandos parallel abgearbeitet werdenthomas-krenn.com | 13
können. NVMe-SSDs sind immer über den PCIe-Bus übertragen. Üblicherweise sind NVMe-Medien mit
angebunden, NVMe wird als Protokoll eingesetzt, vier Lanes angebunden. Die Bandbreite ist damit
analog zu AHCI bei SATA. etwa sieben Mal höher als bei SATA III. Obwohl die
Flash-Chips in NVMe-SSDs die gleichen sind wie bei
PCIe kann bereits pro Lane etwa 985 MByte/s SATA, sind NVMe-SSDs deutlich teurer.
Serial Attached SCSI (SAS)
Serial Attached SCSI als Nachfolger der parallelen SAS-Controller betrieben werden können, nicht
SCSI-Schnittstelle ist für Festplatten sehr verbreitet. jedoch umgekehrt. Im Vergleich zu SATA sind SAS-
Der aktuelle Standard SAS-3 bietet mit 12 GBit/s SSDs dennoch im typischen Server-Einsatz eher
doppelt so hohe Übertragungsraten wie SATA III. als Nischenprodukt zu klassifizieren. Etwa fünf
Daneben hat SAS noch einen weiteren Vorteil: Prozent aller verkauften Enterprise-SSDs werden
Zwei Datenkanäle sind Standard. Damit lässt sich über SAS angebunden. SAS-3 bietet mit 12 GBit/s
Redundanz bei der Datenübertragung herstellen doppelt so hohe Übertragungsraten wie SATA III.
oder durch Kanalbündelung die Übertragungsrate Vergleichsweise hohe Kosten und die Aussicht
weiter erhöhen. Es ist zudem abwärtskompatibel auf noch leistungsfähigere NVMe-SSDs begrenzen
zu SATA, so dass SATA-Medien auch an einem jedoch die Verbreitung.
M.2
Mini SATA oder mSATA war der erste Standard, um SSDs, sie sind aber sehr preiswert und man spart
SSDs direkt per Steckverbinder, also ohne Kabel sich immerhin einen Laufwerkseinschub. Oft ist es
zu verwenden. Mittlerweile wurde er bei neuer sinnvoll, eine M.2-Karte für das Betriebssystem zu
Hardware von seinem Nachfolger M.2 abgelöst, nutzen und Anwenderdaten etwa im RAID-Verbund
SSDs für mSATA sind aber nach wie vor im Handel zu speichern.
erhältlich.
M.2-Module existieren in verschiedenen Größen, die
M.2 ist ein sehr flexibles Interface, das nicht nur Breite beträgt dabei derzeit immer 22 Millimeter,
das SATA-Protokoll unterstützt, sondern auch PCIe die Länge kann unterschiedlich sein: Erlaubt sind
und USB. Außerdem sind noch zahlreiche Pins für 16, 26, 30, 38, 42, 60, 80 oder 110 mm. In der Praxis
zukünftige und herstellerspezifische Anwendungen kommen aber derzeit vor allem Module mit 42, 60,
frei. Wie bei mSATA wird dabei das Flash-Modul 80 oder 110 Millimeter Länge vor.
(oder eine andere Hardware-Erweiterung) direkt
auf einen Port auf dem Mainboard aufgesteckt und Der Formfaktor einer M.2-SSD wird mit der
mit einer Schraube arretiert. Es liegt dabei in der hintereinander geschriebenen Länge und Breite
Regel flach auf der Platine auf, der Platz dafür muss kodiert, eine Karte mit Formfaktor 2280 ist also 22
also ausgespart sein. Millimeter breit und 80 mm lang.
Obwohl die M.2-Schnittstelle primär für Notebooks Bei der Auswahl der Karte muss man die
und PCs konzipiert wurde, kann der Einsatz von Maximallänge beachten, die auf dem Board zur
M.2-SSDs auch im Server sinnvoll sein. SATA-Karten Verfügung steht. Ist diese nur 80 mm, passt eine
am M.2-Steckplatz bringen zwar kaum Vorteile SSD mit Formfaktor 22110 definitiv nicht. Kürzere
bei der Performance gegenüber anderen SATA- Formfaktoren lassen sich zwar einbauen, aber unterthomas-krenn.com | 14
Umständen nicht arretieren, da möglicherweise Die meisten Karten haben aber beide Aussparungen,
an der gewünschten Stelle keine Fassung für die passen also in beide Sockel-Typen.
Schraube vorhanden ist. In der Board-Spezifikation Entscheidend ist, wie viele PCIe-Lanes der
ist deshalb in der Regel angegeben, welche Mainboard-Hersteller den M.2-Schnittstelle
Formfaktoren erlaubt sind. spendiert. Bei einfachen Boards sind es oft nur
eine oder zwei, so dass PCIe-SSDs zwar schneller
Ein weiteres „mechanisches“ Kriterium für die sind als SATA-Modelle, aber dennoch nicht die
passende Karte sind die so genannten Keys. Je volle Bandbreite ausnutzen, die der Flash-Speicher
nachdem, welche Schnittstellen der Port zur eigentlich erlauben würde. Wer also Wert auf
Verfügung stellt, sind an bestimmten Stellen maximale Performance legt, sollte sichergehen,
Aussparungen am Konnektor vorhanden, damit sie dass die M.2-Schnittstelle vier PCIe-Lanes
in den Sockel passen. Module mit „Key M“ haben unterstützt. Bei Server-Mainboards ist dies in der
die Aussparung nach den ersten fünf Kontakten Regel der Fall.
von rechts. Sie können PCIe mit vier Lanes und SATA Ein wesentlicher Nachteil von M.2 besteht darin,
unterstützen. Bei „Key B“ ist die Aussparung nach dass es nicht Hot-Swap-fähig ist. Außerdem besteht
den ersten sechs Pins von links. Diese erlauben die Gefahr von Überhitzung, so dass eventuell
neben SATA nur PCIe mit maximal zwei Lanes. zusätzliche Kühlkörper verwendet werden müssen.
Abbildung 5: M.2-Interface auf dem Mainboardthomas-krenn.com | 15 U.2 Im Gegensatz zur M.2-Verbindung wurde das U.2- vier Lanes angebunden, zusätzlich ist auch der Interface explizit für Server konzipiert. U.2-SSDs Betrieb über SATA- oder SAS möglich. Außerhalb haben eine 2,5-Zoll-Bauform, sie werden also nicht der Hyperscale-Rechenzentren von großen Cloud- direkt auf dem Mainboard aufgesteckt sondern Anbietern konnte sich der U.2-Standard bisher mittels Kabel angeschlossen. Das spart Platz auf weder im Serverbereich noch im bei Desktop-PCs dem Mainboard, zudem ist der Konnektor sehr wirklich durchsetzen. Außer Intel und Gigabyte kompakt, da er „zweistöckig“ ausgeführt ist, also hat kaum ein größerer Hersteller die Interfaces auf aus zwei übereinander liegenden Steckverbindern dem Mainboard verbaut. Wer dennoch U.2-Medien besteht. Durch die Bauform bedingt ermöglichen einsetzen will oder muss, kann Adapter für M.2 U.2-SSDs größere Kapazitäten als die M.2- verwenden. Steckkarten. U.2-SSDs sind über PCIe mit maximal Ausblick: Ruler SSDs Ende 2017 hat Intel SSDs mit einem neuen sollen die langgestreckte Ruler-Bauform zu besserer Formfaktor für NVMe-SSDs angekündigt, dem Luftzirkulation und damit mehr Energieeffizienz EDSFF (Enterprise and Datacenter Storage Form führen. Auch Samsung und Adata haben erste Factor) oder auch NGSFF (Next Generation Small Produkte mit diesem Formfaktor vorgestellt. Memory Form Factor). Diese auch als Ruler Die derzeit erhältlichen bzw. angekündigten (Lineal) SSDs bezeichneten Module sind ca. 32 cm Kapazitäten liegen bei 8 bis 16 TB pro Modul. Im lang, 3,7 cm hoch und 1 cm dick und mit diesen Moment scheint es noch zu früh für Prognosen, Abmessungen auf 1-HE-Server angepasst. Intel will ob sich dieses Format langfristig in der gesamten damit Speicherdichten von bis zu einem Petabyte Industrie durchsetzt oder nicht. auf einer Höheneinheit möglich machen. Zudem Fazit Die richtige Schnittstelle und das passende Protokoll SATA-Schnittstelle vorherrschend bleiben. Neben sind entscheidend, um die Leistung der SSD im Server der Anbindung sind aber auch Einstellungen des voll ausnutzen zu können. In den letzten Jahren hat Betriebssystems wichtig, um optimale Performance die Vielfalt der Optionen hier zugenommen. PCIe und Lebensdauer zu erreichen. Deshalb zeigt das wird hier in der Zukunft die dominante Rolle spielen, nächste Kapitel, wie Sie die Leistung von SSDs aber noch vor allem aus Kostengründen wird die messen und optimieren können. 4 SMART Attribute von Intel SSDs (https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/SMART_Attribute_von_Intel_SSDs)
thomas-krenn.com | 16 Performance messen und optimieren Schnelligkeit ist keine Hexerei Sofern der Rechner halbwegs aktuell ist, erkennt der SSD-Grundlagen im vorigen Kapitel lesen er die SSD beim Hochfahren und kann sie sofort Sie hier, welche Faktoren die Leistung einer SSD verwenden, ganz gleich, ob sie über SATA oder bestimmen, wie Sie sie messen können und wie Sie NVMe angebunden ist. Nicht immer ist damit mit der Überprüfung von wenigen Einstellungen die jedoch gewährleistet, dass die SSD dann auch die optimale Performance erreichen. optimale Leistung bringt. Nach der Erarbeitung IOPS, Latenz und Durchsatz Bei der Messung der SSD-Performance sind vor in ms, bis eine einzelne I/O-Operation durchgeführt allem drei Messgrößen entscheidend: IOPS, Latenz wurde. Die typische durchschnittliche Latenz beträgt und Durchsatz. Der Begriff IOPS (Input/Output bei SSDs zwischen 0,1 und 0,3 ms, bei Festplatten Operations Per Second) beschreibt die Anzahl an zwischen 5 und 10ms. Hierbei ist zu beachten, dass Ein/Ausgabe-Operationen pro Sekunde. Read IOPS die Festplatten-Hersteller mit der Latenz nur die Zeit beziehen sich konkret auf Ausgaben pro Sekunde, einer halben Umdrehung der Scheibe beschreiben. Write IOPS auf Eingaben. Die Größe einer solchen Zur echten Latenz, also der mittleren Zugriffszeit, I/O-Operation beträgt 4 KiB (sofern nicht anders ist hier noch die Spurwechselzeit (Seek Time) zu angeführt). IOPS werden meistens „random“, also addieren. Der Durchsatz schließlich bezeichnet die mit zufällig verteilten Zugriffen gemessen, um Datentransferrate in MByte pro Sekunde (MB/s). Er tatsächlich Worst-Case-Werte zu erfassen. Während wird typischerweise mit größeren und sequenziellen Festplatten nur rund 100-300 IOPS schaffen, bieten I/O-Operationen gemessen. Bei gleicher Anbindung aktuelle SATA-Enterprise-SSDs etwa 45.000 Write (SATA) schaffen SSDs etwa den doppelten bis und 85.000 Read IOPS (beispielsweise das 1,2-TByte- dreifachen Durchsatz von Festplatten. Bei SSDs mit Modell Intel DC S3710 SSD). NVMe-Modelle gehen wenigen Flash-Chips (SSDs mit geringerer Kapazität) deutlich darüber hinaus. So erreicht etwa Intels ist die Schreibperformance etwas eingeschränkt DC P3700 mit 400 GByte bereits 75.000 Write und und liegt etwa auf Festplatten-Niveau. 450.000 Read IOPS. Latenz beschreibt die Wartezeit Folgende Faktoren beeinflussen die Performance einer SSD: _Read/Write Mix: Bei SSDs unterscheiden sich die Schreibperformance durch eine größere Spare- Lese- und Schreiboperationen auf Hardware- Area und optimierte Controller-Firmware. Ebene deutlich. Aufgrund des höheren Controller- Overheads von Schreiboperationen erzielen SSDs _Random/Sequential Mix: Die Anzahl an möglichen typischerweise mehr Lese-IOPS als Schreib-IOPS. IOPS hängt außerdem davon ab, ob die Zugriffe Besonders hoch ist dieser Unterschied bei Consumer- zufällig über den gesamten Datenbereich (LBA- SSDs. Bei Enterprise-SSDs verbessern die Hersteller Bereich) verteilt sind oder sequenziell durchgeführt
thomas-krenn.com | 17
werden. Bei zufälligen Zugriffen steigt der durchschnittliche Latenz, und damit die Wartezeit
Managementaufwand des SSD-Controllers und die auf eine einzelne I/O-Operation – weil eben nicht
Anzahl an möglichen IOPS nimmt damit ab. jede Operation einzeln sofort an die SSD geleitet
wird, sondern erst, wenn die Warteschlange voll ist.
_Queue Depth: Die Queue Depth bezeichnet die
Länge der Warteschlange im I/O-Pfad zur SSD. Bei _Spare Area: Die Größe der Spare Area hat einen
einer größeren Warteschlange (zum Beispiel 8, 16 direkten Einfluss auf die Random Write-Performance
oder 32) fasst das Betriebssystem die konfigurierte der SSD (und damit auch auf die Kombination aus
Anzahl an I/O-Operationen zusammen, bevor es Lese- und Schreib Performance). Je größer die Spare
diese an den SSD-Controller sendet. Eine größere Area, desto seltener muss der SSD-Controller intern
Queue Depth erhöht die Anzahl der möglichen Daten umstrukturieren. Der SSD-Controller hat
IOPS, da die SSD die Anfragen parallel an die damit mehr Zeit für Host-Anfragen – die Random
Flash-Chips senden kann. Sie erhöht aber auch die Write-Performance steigt.
Performance-Messung mit FIO
Durchsatz Lesen
fio --name=readTP --rw=read --size=5G --bs=1024k –direct=1 --refill_buffers --ioengine=libaio --iodepth=16
Durchsatz Schreiben
fio --name=writeTP --rw=write --size=5G --bs=1024k –direct=1 --refill_buffers --ioengine=libaio --iodepth=16
IOPS Lesen
fio --name=readIOPS --rw=randread --size=1G --bs=4k –direct=1 --refill_buffers --ioengine=libaio --iodepth=16
IOPS Schreiben
fio --name=writeIOPS --rw=randwrite --size=1G --bs=4k –direct=1 --refill_buffers --ioengine=libaio --iodepth=16
IOPS Mixed Workload, 50 Prozent Lesen und 50 Prozent Schreiben
fio --name=mixedIOPS --rw=randrw --size=1G --bs=4k –direct=1 --refill_buffers --ioengine=libaio --iodepth=16
Bestimmen der Baseline Performance
Die zuvor genannten Eigenschaften von SSDs _Workload Pattern – I/O Pattern (Read/ Write Mix,
erfordern speziell abgestimmte Performance- Blockgrößen) während des Tests.
Tests. Konkret erschweren der FOB-Zustand
(Fresh out of the Box) und die Übergangsphasen _Data Pattern – die geschriebenen Daten. Die
zwischen Workloads eine Bestimmung von stabilen Anforderungen an aussagekräftige SSD-Tests hat
Performance-Werten. Die resultierenden Werte sind die Organisation SNIA sogar dazu veranlasst, eine
daher von folgenden Faktoren abhängig: eigene „Enterprise Performance Test Specification“
(PTS) zu veröffentlichen.
_Schreibende Zugriffe sowie Präkonditionierung –
der Zustand der SSD vor dem Test. In den meisten Fällen besteht jedoch nicht diethomas-krenn.com | 18
Möglichkeit, in diesem Umfang Tests durchzuführen. unter Linux verbreitet, aber auch für Windows und
Oftmals reicht es im ersten Schritt aus, mit VMware ESXi verfügbar. Entwickelt vom Maintainer
einfachen Mitteln eine „Baseline Performance“ der des Linux Block Layers, Jens Axboe, steckt einiges
SSD zu bestimmen. Dadurch erhalten Sie in Form an Wissen und Funktionalität darin. Nutzen Sie
von MB/s und IOPS auf Ihr System zugeschnittene die Tabelle für einen einfachen Performance-Test
Kenngrößen. Die Tabelle „Performance-Messung Ihrer SSD unter Linux. Windows-Nutzer müssen die
mit FIO“ geht näher auf das Performance-Werkzeug Parameter „libaio“ und „iodepth“ entfernen.
„Flexible I/O Tester“ (FIO) ein. FIO ist vor allem
Spare Area vergrößern
Wie bereits im ersten Kapitel dieses E-Books interne Kopieren die Anzahl der Schreibvorgänge auf
erwähnt, kann ein SSD Controller die Daten von einer die einzelnen Speicherzellen (die Write Amplification
einmalig beschriebenen Page (die aus mehreren steigt). Somit sinkt auch die Lebensdauer dieser
Speicherzellen besteht) nicht verändern. Vor einem Speicherzellen. Ein einfacher Trick verhindert
erneuten Beschreiben dieser Page müsste der häufige Aufrufe der Garbage Collection: Werden
Controller den gesamten Block löschen, in dem bei der erstmaligen Nutzung der SSD etwa nur
sich die Page befindet. Um dies zu vermeiden, 90 Prozent des verfügbaren Datenbereiches
schreibt der Controller in einem solchen Fall die partitioniert (Over-Provisioning), erfolgen auf die
geänderten Daten einfach in eine andere, bisher restlichen zehn Prozent niemals Schreibzugriffe.
unbenutzte Page und aktualisiert seine interne Die entsprechenden Pages bleiben ungenutzt, der
Zuordnungstabelle entsprechend (Abbildung SSD Controller kann diese Pages somit wie Pages
6). Sind auf der SSD zu Beginn nur wenige Daten aus der Spare Area nutzen. Untersuchungen von
gespeichert, gibt es noch ausreichend freie Pages. Intel zeigen, dass bei einer solchen Einsparung
Darüber hinaus hat jede SSD eine Spare Area, deren von zehn Prozent der Datenmenge die Random-
Pages der SSD Controller ebenfalls für diese Zwecke I/O-Performance auf das Zweieinhalbfache steigen
nutzt. Bevor die freien Pages ganz zur Neige gehen, kann [5] (Abbildung 7).
räumt der SSD Controller mit seinem Garbage
Collector auf. Er kopiert dabei verstreute belegte Sinnvoll ist dies mittlerweile jedoch nur noch bei
Pages aus verschiedenen Blöcken in noch freie Consumer-SSDs mit einer von Haus aus kleinen
Pages. Die dadurch freigeschaufelten Blöcke kann Spare Area. Bei Enterprise-SSDs ist die Reserve an
er nun löschen. Damit stehen ihm in der Summe Pages in der Regel so großzügig dimensioniert, dass
wieder mehr unbenutzte Pages zur Verfügung. eine weitere Erhöhung kaum noch zu Performance-
Gewinn führt und den Nachteil der kleineren Netto-
Diese Garbage Collection kostet jedoch Zeit und Kapazität nicht aufwiegt.
damit Performance. Außerdem erhöht sie durch das
5 Spare-Area vergrößern (https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/SSD_Performance_optimieren)
Secure Erase
Wie bereits erläutert kann ein SSD Controller die Wiederverwendung einer zuvor bereits benutzten
Daten von einer einmalig beschriebenen Page nicht SSD ist es daher sinnvoll, vor dem Einsatz alle Blöcke
verändern, sondern muss zuvor den gesamten der SSD zu löschen. Bei den meisten SSDs klappt dies
Block mit mehreren Pages löschen. Für die mit einem einfachen Secure Erase.[6] Ein Securethomas-krenn.com | 19
Erase soll laut ATA-Spezifikation das sichere Löschen damit nicht mehr entschlüsselt werden, sind aber
aller gespeicherten Daten eines Datenträgers noch physisch vorhanden. Bei solchen SSDs werden
garantieren. Bei den meisten SSDs, die Secure Erase somit nicht alle Blöcke der SSD gelöscht. In diesem
unterstützen, führt dies zum physischen Löschen Fall müssen die Blöcke per TRIM gelöscht werden,
aller Blöcke der SSD. Die SSD ist dann wieder um für die neue Verwendung der SSD die optimale
mit der ursprünglichen optimalen Performance Performance zu bekommen. Windows führt seit
nutzbar, da alle Pages direkt beschrieben werden Version 7 ein solches TRIM bei der Formatierung
können. Bei einigen neueren SSDs ist das Secure automatisch durch. Unter Linux bietet »hdparm«
Erase allerdings anders implementiert. Diese SSDs dazu zwar die »--trim-sector-ranges«-Option, die
verschlüsseln automatisch alle geschriebenen Manpage von hdparm rät allerdings nach wie vor
Daten. Bei einem Secure Erase wird dann einfach von ihrer Verwendung ab.
der Schlüssel sicher gelöscht – die Daten können
5 Spare-Area vergrößern (https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/SSD_Performance_optimieren)
Abbildung 6: Viele Pages (rot markiert) sind ungültig, weil deren Daten verändert und woanders
abgespeichert wurden. Der SSD Controller aktualisiert seine interne Zuordnungstabelle entsprechend.
Partition Alignment
Unter Partition Alignment versteht man das (Cylinder/Head/Sector) zu bleiben. Die Größe eines
Ausrichten von Partitionen an bestimmten solchen (logischen) Sektors beträgt 512 Byte. Bei
Grenzen eines Datenträgers [7]. Ein korrektes Festplatten mit einer physischen Sektorgröße von
Partition Alignment gewährleistet eine optimale 512 Byte brachte das keine Nachteile. Aktuelle
Performance bei Datenzugriffen. Speziell bei SSDs Festplatten mit einer physischen Sektorgröße von
(mit internen Page-Größen von beispielsweise 4.096 Byte (4 KiB) emulieren zwar nach außen hin
4.096 oder 8.192 Bytes), Festplatten mit 4 KiB- eine Sektorgröße von 512 Byte, arbeiten intern aber
Sektoren (4.096 Bytes) und RAID-Volumes führt mit 4.096 Byte. Und auch SSDs arbeiten mit einer
eine fehlerhafte Ausrichtung von Partitionen Pagegröße von 4 KiB beziehungsweise 8 KiB. Bei
zu einer verminderten Performance.[8] In der diesen neuen Festplatten und SSDs ist eine solche
Vergangenheit begann die erste Partition stets auf Partitionierung beginnend bei LBA-Adresse 63
LBA-Adresse 63 (entspricht dem 64. Sektor), um daher sehr problematisch. Formatiert der Benutzer
kompatibel zu DOS und zur alten CHS-Adressierung eine solche Partition mit einem Dateisystem mitthomas-krenn.com | 20 einer typischen Blockgröße von 4 KiB, passen die der Installation. Beim späteren Einrichten von 4-KiB-Dateisystem-Blöcke nicht direkt in die 4 KiB Partitionen mit »fdisk« sind dessen Optionen »c« oder 8 KiB großen Pages der SSD (Abbildung 8). (Deaktivieren des DOS Kompatibilitätsmodus) und Beim Schreiben eines einzelnen 4-KiB-Dateisystem- »u« (verwendet Sektoren statt Zylinder als Einheiten) Blockes müssen dann zwei 4 KiB Pages verändert nötig, um ein korrektes Alignment zu erhalten. Zur werden. Erschwerend kommt dabei hinzu, dass Kontrolle zeigt »fdisk -l - u« die Startsektoren aller die jeweiligen 512-Byte-Sektoren erhalten bleiben Partitionen. Sind diese Sektoren durch 2048 teilbar, müssen – es kommt damit zu einem Read/Modify/ sind alle Partitionen korrekt ausgerichtet (Listing 2). Write. Die Folge ist eine bis zu 25fach schlechtere LVM-Versionen ab 2.02.73 verwenden dank eines Schreibperformance bei kleinen Dateizugriffen, wie Patches von Mike Snitzer ebenfalls ein Alignment Analysen von IBM zeigen.[9] Um diese Probleme von 1 MiB.[10] zu vermeiden, empfiehlt sich ein Alignment auf 1 MiB – damit ist man auf lange Sicht auf der sicheren Seite. Mit der aktuellen Adressierung in 512 Byte großen logischen Sektoren entspricht das 2048 Sektoren (Abbildung 9). Aktuelle Windows- Versionen führen bei Partitionen größer 4 GiB ein solches Alignment auf 1 MiB durch. Ältere Versionen (Windows XP, Windows Server 2003) benötigen ein manuelles Alignment. Aktuelle Linux-Distributionen verwenden ebenfalls ein Alignment von 1 MiB bei Abbildung 7: Eine etwas vergrößerte Spare Area hat positive Auswirkungen. Erhöht man das Overprovisioning Level um 20%, steigt die I/O Performance um das 2,5fache. Eine Erhöhung auf 40% bringt jedoch keine deutlich besseren Werte. 7 Partition Alignment (https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/Partition_Alignment) 8 Ben Martin, RAID-Systeme unter Linux optimal konfigurieren, ADMIN 02/2011, S. 80 ATA TRIM Eine weitere Funktion zur Steigerung der Optimizers ein TRIM-Befehl an die SSD gesendet Performance sowie der Lebensdauer ist ATA TRIM. und die Defragmentierung automatisch deaktiviert. Mit dem TRIM-Kommando teilt das Betriebssystem Bereits seit Kernel 2.6.38 unterstützen Ext4 und XFS der SSD mit, welche Datenbereiche (etwa die zudem das zeitversetzte Batched Discard, das bei Datenbereiche einer gelöschten Datei) es nicht mehr SSDs mit langsamer TRIM-Funktion wichtig ist. Über benötigt. Der SSD-Controller kann damit betroffene den tatsächlichen Performance-Gewinn aufgrund Blöcke löschen, was ähnlich wie eine vergrößerte von ATA TRIM gibt es unterschiedliche Aussagen. Spare Area die Performance und Haltbarkeit der Tatsache ist, dass ATA TRIM nur für einzelne SSDs SSD steigern soll. Damit ATA TRIM funktioniert, genutzt werden kann. RAID-Controller unterstützen muss es von der SSD, vom Betriebssystem und diese Funktion nicht. Eine etwas vergrößerte Spare- vom Dateisystem unterstützt werden. Windows Area durch Nutzung von 90 Prozent der SSD- mit NTFS oder Linux mit Ext4 mit Discard-Option Kapazität für das RAID-Volume sollte in diesem Fall erfüllen diese Anforderungen. Ab Windows 8 wird ein Fehlen der TRIM-Funktion ausgleichen. mittels der automatischen Optimierung des Storage
thomas-krenn.com | 21 Listing 2: Partition-Alignment mit fdisk: root@ubuntu:~# fdisk -l -u /dev/sda Disk /dev/sda: 240.1 GB, 240057409536 bytes 255 Köpfe, 63 Sektoren/Spur, 29185 Zylinder, zusammen 468862128 Sektoren Einheiten = Sektoren von 1 × 512 = 512 Bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Festplattenidentifikation: 0xf9ef975a Abbildung 8: DOS-kompatible Partitionen, die bei LBA Adresse 63 beginnen, führen zu erheblichen Performance-Nachteilen bei Datenzugriffen. Abbildung 9: Eine korrekt ausgerichtete Partition bringt optimale Performance bei Lese- und Schreiboperationen. Gerät boot. Anfang Ende Blöcke Id System /dev/sda1 * 2048 718847 358400 7 HPFS/NTFS/exFAT /dev/sda2 718848 468858879 234070016 7 HPFS/NTFS/exFAT 9 Linux on 4KB-sector disks (https://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-4kb-sector-disks) 10 LVM Alignment Patch (https://www.redhat. com/archives/linux-lvm/2011-July/msg00063.html) Fazit Der Einsatz von SSDs bietet eine Menge an Gigabyte über einen längeren Zeitraum genießen Tuningpotential. Diese Einstellungen können eine zu können sollten Sie immer ein Auge auf die erhebliche Geschwindigkeitsverbesserung und korrekten Einstellungen haben. Das vierte Kapitel Verlängerung der Lebensdauer bringen. Um die dieses E-Books erläutert, wie Sie SSDs in einem Performance einer SSD und der im Vergleich zu RAID-Verbund optimal betreiben. einer HDD noch teuren Anschaffungskosten pro
thomas-krenn.com | 22
Flash-Stapel mit Turbo
SSD-RAIDs mit optimaler Performance betreiben
Nach der Erläuterung des Aufbaus und der Funktion die korrekten Einstellungen zum optimalen Betrieb
einer SSD und der Optimierung eines Betriebes eines Software- und Hardware-RAIDs mit SSDs.
einer einzelnen SSD geht es in diesem Kapitel um
SSDs und RAID-Controller
Bis vor wenigen Jahren kamen in einem RAID- zwar in ungenutzte Pages geschrieben werden –
Verbund ausschließlich Festplatten zum Einsatz. ein nachträgliches Ändern ist jedoch nicht möglich.
Dementsprechend waren bis dahin Hardware- Das funktioniert erst dann wieder, wenn der SSD-
RAID-Controller ausschließlich auf die I/O- Controller zuvor den gesamten zugehörigen Block
Charakteristiken von Festplatten optimiert. Die löscht. Damit immer ausreichend ungenutzte
unterschiedlichen I/O-Eigenschaften von SSDs Pages bereitstehen, verfügen SSDs über zusätzliche
erfordern jedoch entsprechend optimierte RAID- Speicherzellen (Spare Area). Je nach SSD ist die
Controller und RAID-Einstellungen. Wie Sie Ihr SSD- Größe der Spare Area zwischen 7 und 78 Prozent
RAID zu optimaler Performance bringen, zeigen wir der Nennkapazität. Eine Möglichkeit, der SSD
Ihnen in diesem Kapitel. mitzuteilen, welche Datenbereiche nicht mehr
verwendet und somit gelöscht werden können,
Konventionelle Festplatten speichern ihre Daten ist TRIM. Hier teilt das Betriebssystem dem SSD-
auf einer oder mehreren Magnetscheiben, die Controller mit, welche Datenbereiche gelöscht
über einen Schreib-/Lesekopf beschrieben und werden können. TRIM lässt sich für eine einzelne
ausgelesen werden. SSDs kommen im Gegensatz SSD einfach implementieren, für Paritäts-RAIDs
dazu ohne mechanische Bauteile aus. Die Daten wäre die Umsetzung aber durchaus aufwändig.
werden hier in Flash-Speicherzellen abgelegt. Daher unterstützt nach wie vor auch kein Hardware
Chips mit SLC (Single Level Cell) speichern 1 Bit RAID-Controller die TRIM-Funktionalität. Dieses
pro Speicherzelle, jene mit MLC (Multi Level Cell) 2 Manko lässt sich aber recht leicht umschiffen: Die
Bits, TLC (Triple Level Cell) speichert 3 Bits. Mehrere meisten Enterprise-SSDs kommen von Haus aus mit
Speicherzellen sind in einem Flash-Chip zu einer einer vergleichsweise großen Spare-Area, weshalb
Page (zum Beispiel 8 KiB) organisiert. Mehrere Pages die TRIM-Unterstützung kaum eine Rolle spielt. Und
bilden dann einen Block (etwa 2 MiB). Auf dieser wem die Performance noch nicht reicht, der kann
Ebene kommt auch schon die erste Eigenheit von zusätzlich noch mit Over-Provisioning arbeiten –
Flash-Speichern ans Tageslicht: Neue Daten können dazu später mehr.
RAID 1, RAID 5 und RAID 10 mit SSDs
Wegen der in den letzten Jahren gesunkenen Festplatten, aber dabei kommt es immer auf die
Preise werden immer mehr Festplatten-RAIDs richtigen Einstellungen und das passende RAID-
durch SSD-RAIDs ersetzt. Flash-Systeme können Level an.
zwar schneller sein als herkömmliche RAIDs mitSie können auch lesen
