Veri merkezlerinin, daha hızlı veri depolama performansı ve yüksek veri güvenilirliği elde etme arayışı, katı hal sürücü – SSD depolama çözümlerinin sunucular ve kurumsal depolama sistemlerinde HDD sürücüler yerine kullanım oranlarının artmasını sağlamıştır. 2017 yılında yapılan bir pazar araştırması*, toplam SSD gelirinin, HDD gelirini ilk kez geçtiğini göstermiştir.
Daha yüksek veri okuma ve yazma performansı ve güvenilirlik talebi arttıkça; günümüzün veri odaklı depolama ve bilgi işlem gereksinimlerine uygun modern teknolojilere olan ihtiyaç da artmaktadır. Kurumsal sistemlerde en yaygın kullanılan SSD türleri SATA (Serial Advanced Technology Attachment) ve SAS (Serial Attached SCSI) arayüz protokollerini kullanan çözümlerdir. Kurumsal sistemlerde yeni yeni kullanılmaya başlayan NVMe™ (Non-Volatile Memory Express) ise özellikle flash bellek teknolojisi için tasarlanmış yeni bir protokoldür. Günümüz veri-yoğun iş yüklerinde kullanılacak olan SSD sürücülerin yüksek performanslı olmasını sağlamıştır.
SSD sürücüler, BT alanındaki kullanıcıların değişken iş yükleri ve uygulamaların kullanıldığı sunucularda, hangi depolama çözümünün daha uygun olacağına karar verirken HDD sürücüler yerine tercih edilmeye devam etmektedir.Günümüzde depolama birimlerinin sunucu sistemlerine bağlamakta kullanılan üç yaygın veri arayüzü vardır; SATA, SAS ve PCIe®. NVMe protokolü SSD sürücüler için PCIe arayüzünü kullanmaktadır. Sunucu ve depolama sistemleri için uygun SSD seçimi yapılırken dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan biri SSD arayüzünün kendisi olacaktır.
SATA Genel Bakış
Flash tabanlı sürücüler olan SSD’lerin ortaya çıkması sonrasında SATA adeta standart bir SSD protokolü haline gelmiştir. Bunun en önemli sebebi mevcut HDD sürücülerin kolayca değiştirilmesini sağlayabilmektir. Zaman içerisinde farklı arayüz seçenekleri de ortaya çıkmıştır. Ancak bazı uygulamalarda sunduğu düşük performansa rağmen SATA, SSD sürücüler için en yaygın ve uygun maliyetli arayüz çözümü olmaya devam etmektedir. SATA arayüzünün sunduğu performans ve gecikme süreleri sabit disk sürücüler-HDD için yüksek sayılabilecek veriler olsa da SSD sürücüler için kabul edilemez değerlerdir.
SSD sürücüler sunucuya takıldığında G/Ç (I/O) komutları farklı katmanlar arasında geçiş yapar. (Şekil 1) Bu da flash tabanlı depolama birimlerinin avantajlarının tam olarak kullanılamamasına sebep olur. Kullanıcıların flash depolama sürücülerini en verimli şekilde kullanmasını engeller. SATA arayüzü half-duplex olduğundan veri aktarımı için bir seferde bir şerit/bir yön kullanabilir. Giderek artan işlemci hızları ve DRAM bant genişlikleri sonrasında tek şerit ile işlem yapılması darboğaz ortaya çıkarmıştır. Güçlü, çok çekirdekli işlemciler ve yüksek kapasitede RAM ile donatılmış sunucu sistemlerinde okuma/yazma işlemlerinin tamamlanması için SATA arayüzünün veri aktarmasının beklenmesi durumu ortaya çıkmaktadır. Bu da SSD sürücünün ve işlemcinin genel anlamda sunucunun yapabileceklerinin bir kısmının kullanılamaz olması demektir.
SAS ve NVMe sürücülere göre çok daha ucuz olan SATA SSD sürücüler oldukça geniş kullanım alanı bulmuştur. 2009 yılında kullanıma sunulan en güncel arayüz sürümü SATA III; 6Gb/s (600MB/s) veri aktarım hızı sunmaktadır. Daha gelişmiş teknolojili çözümler sunuldukça; sunucu sistemlerinde uzun yıllardır kullanımda olan SATA sürücülerin kullanım oranları düşmektedir.
SAS Genel Bakış
SAS, SCSI komut setini kullanarak veri aktarımı sağlayan noktadan noktaya bir seri protokoldür. Genellikle SATA ile uyumlu çözümler olarak sunulur, bu sayede pek çok sunucu sisteminde; kontrolcü ve backplane desteği sayesinde SAS sürücü yuvalarında SATA SSD sürücüler de kullanılabilmektedir. Günümüz sunucu sistemlerinin çoğunda aynı yuvada SAS ve SATA sürücü kullanılabilir durumdadır. NVMe sürücülerin aksine, sistemde RAID kart ya da yuva seti (backplane) gibi donanım değişikliği ve yatırım yapılmadan eski SATA HDD sürücüler yerine yüksek performanslı SAS SSD sürücüler ile ekonomik depolama çözümleri elde edilmektedir.
SAS bağlantı arayüzü SATA’ya göre çok daha yüksek verimlilik sağlamaktadır. Özellikle yüksek kullanılabilirlik ve veri güvenliği gerektiren uygulamalarda depolama çözümü olarak tercih edilmektedir. Yeni 24G SAS standardı ile daha yüksek kapasite ve performans sunan sürücü çözümleri sunulmaya başlanmıştır.
CPU’dan Yararlanma
SAS SSD sürücüler, SAS-3 full-duplex standardı ile birlikte sağlanan 12Gb/s / 1.200MB/s aktarım hızları ile SATA sürücülerden çok daha hızlı okuma ve yazma gerçekleştirir. Donanımsal RAID (redundant array of independent disks) desteği ve çoklu veri yolları sayesinde yüksek hata toleransı ve veri koruması sunabilmektedirler. Çalışırken değiştirilebilir (hot-swappable) çözümlerdir. Çok yönlü ve kanıtlanmış güvenilirlik, kullanılabilirlik ve hizmet verilebilirlik (RAS) sunarlar.
SATA sürücülere göre daha uzun yazma ömrü sağlayan daha fazla over-provisioning seçeneklerine sahiptirler. Sürücülerin sürekli kullanımını gerektiren ortam uygulamaları için tasarlanmışlardır. Ayrıca daha iyi yazılım altyapısı yönetimi yetenekleri ve SATA sürücüler ile karşılaştırıldığında eski işletim sistemleri ve yazılımlar ile daha yüksek çalışabilirliğe sahiptirler. SATA sürücüler teknik olarak SAS sürücüler yerine kullanılabilir olsalard da, performansları yoğun verinin işlendiği zorlu iş yükleri taleplerini destekleyemez.
PCIe NVMe Genel Bakış
PCIe arayüzü veri akışı için daha fazla kanal ya da hat (lane) sayısına sahip olduğu için; SAS ya da SATA arayüzlerine göre çok daha yüksek aktarım hızları sunabilir. PCIe NVMe SSD sürücüler, hem ev ve ofis gibi tüketici sistemlerinde hem de kurumsal seviye uygulamalarda giderek daha sık kullanılan yüksek performanslı bir arayüz olarak SATA sürücülerin yerini almaktadır. Yüksek IOPS değerleri sayesinde, her geçen gün veri işleme hızları artan günümüz işlemci-CPU çözümlerinin veri ihtiyaçlarını karşılayabilir seviyeye gelmişlerdir. NVMe SSD sürücüler, sunucu ve depolama sistemlerinde sürücü dizilerine PCIe arayüzü aracılığı ile bağlanırlar.
PCIe arayüzü, SAS ya da SATA gibi veri yolu adaptörlerini (HBA-host bus adapter) atlayarak backplane (arka panel) veriyolu gibi çalışabilmesi sayesinde yüksek performans ve düşük gecikme süreleri gibi büyük avantajlara sahiptirler. Sunucu sistemlerinde de yaygınlaşmaya başlayan PCIe Gen4 arayüzünün her bir hattı (lane) 2.000 MB/s hız değeri sunabilemektedir. Bu sayede 2,5 inç PCIe 4.0 x4 bir SSD sürücü 7000 MB/s ve üzeri hızlar ile yoğun veri yüklerini, olağanüstü yüksek hızlar ve düşük gecikme süreleri ile aktarmayı mümkün kılar.
Mevcut en yeni PCIe SSD sürücüler NVMe protokolü standartını desteklemektedirler. SATA/SAS arayüzlerinin tüm engellerinden kurtulan yeni nesil sürücüler hız sınırlarını da aşmışlardır. NVMe protokolü 64K kuyrukta 64K komut destekler bu değerler SATA için tek bir komut kuyruğunda 32 kuyruk derinliğidir. Çoklu PCIe veriyolu hattı üzerinden büyük miktarlarda Girdi/Çıktı – I/O operasyonlarını çok çekirdekli işleme ile gerçekleştiren NVMe SSD sürücüler, darboğazları azaltarak işlemciye gelen ve giden veri akışının devam etmesini sağlar. Bu sayede kullanıcıların zorlu depolama iş yüklerini hızlı ve verimli bir şekilde işleyebilmelerine imkan sunar.
Teorik olarak; SATA III arayüzü 6Gb/s, SAS arayüzü hat başına 12Gb/s performans sunabilirken, NVMe’nin hat başına 2GB/s hız desteği ile x4 bir SSD sürücü 8GB/s teorik aktarım hızına sahip olabilir. NVMe tabanlı SSD’ler ağır iş yükleri ile daha uyumlu ve yüksek I/O değerleri sayesinde performans düşüşüne karşı çok daha dayanıklı çözümlerdir.
Arayüz Performansı
SSD arayüzlerinin her birinin performans üstünlüklerini daha iyi anlaşılması için SATA, SAS ve NVMe SSD sürücülerin teorik ve mevcut sunabildikleri performans değerleri aşağıdaki tabloda yer almaktadır. Güncel Data Center NVMe SSD kategorisi de dahil edilmiştir. Değerler, en doğru ölçüm için yerel sunucu tarafı performansı temel alınarak elde edilmiştir. Sunucu tabanlı depolama, depolama ortamını sunucu içerisinde barındırır ve verileri yerel olarak depolar. Bu da sistem işlemcisinin verileri daha hızlı işleyebilmesini sağlar.
Tablo 1; kurumsal SATA, SAS ve NVMe SSD sürücüleri sunuculara bağlamak için kullanılan protokol ve arayüzlerin sınırlarını ve uygulamadaki değerlerini göstermektedir. Arayüz hız sınırı; teorik olarak SSD’den elektriksel bağlantıların fiziksel sınırlamalarını da dikkate alarak elde edilebilecek en yüksek okuma ve yazma performanslarını ifade eder. Mevcut hız değeri, pazara sunulmaya hazır ürün seviyesindeki performansı ifade eder, üretici tarafından laboratuvar ortamında yapılan testlere dayalıdır.
Tablo 1: Kurumsal SATA, SAS ve PCIe/NVMe arabirim sınırları ve mevcut hız değerleri okuma/yazma performansları
Tablo 1’deki değerler incelendiğinde, SATA arayüzünün, üç protokol arasında en düşük okuma – yazma performansına sahip olduğu görülmektedir. Bu nedenle işlemci-CPU kaynaklarının yetersiz kullanımına ve flash belleğin sunabileceği performans potansiyelin kısıtlanmasına sebep olmaktadır. Verimliliği artıran performans hedeflerini elde etmek için kurumsal SAS ya da NVMe SSD sürücülerin kullanımı SATA SSD sürücülere göre çok daha yüksek performans elde edilmesini sağlar. Ancak bu yüksek performansın bedeli, artan sürücü maliyetidir.
Kurumsal SATA SSD sürücülere sahip bir sunucu, 550MB/s okuma/yazma hızları ve 85.000 IOPS rastgele okuma değeri sunar. Kurumsal SAS SSD sürücüler ile 1.100 MB/s okuma/yazma hızları ve 210.000 IOPS rastgele okuma değerleri (SATA’dan yaklaşık 2 kat daha yüksek aktarım hızı ve 2,47 kat daha fazla IOPS) elde edilebilir. Kurumsal PCIe/NVMe SSD’ler ise 6.900 MB/s okuma, 4.200 MB/s yazma değerlerine ulaşan aktarım hızları ve 1.400.000 IOPS rastgele okuma hızı değerleri (SATA’dan yaklaşık 12,54 kat yüksek okuma hızı, 7,63 kat yüksek yazma hızı ve 16,47 kat yüksek IOPS değerleri) sunar.
Tabloda görülen sonuçlar temelde şunu ortaya koymaktadır. Kurumsal SATA SSD sürücüler, uygun maliyetleri ile İYİ okuma/yazma performansı sunar. SAS sürücüler, daha yüksek hızlar ile DAHA İYİ okuma yazma performansı sunarken, veri merkezi yada kurumsal NVMe SSD sürücüler EN İYİ okuma/yazma performansını sunmaktadır. Kioxia, Kingston, Micron ve Samsung gibi üreticiler tarafından sunulan uygun maliyetli kurumsal SAS ve NVMe sürücüler sayesinde, SATA sürücü maliyetlerine yaklaşan maliyetler ile yüksek performans elde etmek mümkün hale gelmektedir.
Sonuç
SSD performansı işlemci/CPU kullanımını etkiler. Daha yüksek uygulama performansı elde edildiğinde sunucu sistemi CPU’nun performansının daha fazlasını kullanabilir. SATA arayüzü performans sınırlarına yaklaştığı için, SATA arayüzü sistemlerde darboğaz yaratmaya başlamıştır. İşlemcinin yapabileceği işlem sayısını kısıtlayacağından, sistemin gerçek performansını kullanmasına da engel olacaktır. Yeni nesil SAS ve Veri Merkezi NVMe SSD çözümleri ile daha düşük SSD maliyetleri ile sistemlerin daha yüksek performans ile kullanılması sağlanır. Sunucu kaynaklarının daha iyi kullanımı ile toplam sahip olma maliyetinin de (TCO) düşmesini sağlar.
SSD sürücülerin arabirim bant genişliği ve performans değerleri; sunucu ya da depolama sisteminin kaç işlem ya da uygulama hareketi gerçekleştirebileceğini gösterir. Daha yüksek bant genişliği ve IOPS değerleri ile sunucular daha fazla işlemi daha yüksek verimlilikle gerçekleştirebilir. Bu sayede aynı anda daha çok kullanıcıya daha yüksek hizmet kalitesi (QoS) ile sunulması sağlanır. Sonuç olarak uygulama performansında artış, BT maliyetlerinde azalma ve daha iyi bir genel kullanıcı deneyimi elde edilmiş olur.
Kaynak : Kioxia
*IDC Research, “Worldwide Enterprise SSD and HDD Combined Market Overview,” 2018-2022, Haziran 2018, document #US44076018, Slide 4.