然而, 为提升服务器每秒输入/输出运算(IOPS)效能, 固态硬盘(SSD)逐渐取代HDD. 任何储存平台只要使用SSD, 即可大幅改善应用程序效能; 透过NVMe规格直接与服务器PCIe接口相连, 效能更是潜力无穷.
NVMe是种储存协议标准, 目的是让储存输入/输出(I/O)尽可能接近系统处理器, 实现更快速的IOPS效能及较低平均延迟率. 随着NVMe SSD使用更为广泛, 包括可支持热插入与热新增, 实时进行更换或扩充的装置等, IT团队可藉低延迟, 高IOPS效能, 可扩充容量及其他常见支持, 满足应用程序, 用户与管理上的需求.
IOPS效能/可靠性兼具 NVMe SSD发展动能十足
目前, SSD有三种主机链接硬盘(Host-to-Drive)接口: SATA, SAS与PCIe. SATA SSD及SAS SSD需要主机总线适配卡(HBA), 该适配卡通常已经与服务器主板的芯片组整合, 也可以是PCIe传输埠的扩充卡. 主机的操作系统负责控制SATA或SAS的HBA, 协助与其他的运算架构作沟通.
所有SSD类型都比传统HDD的IOPS效能优异许多, 但仍可能受到外在条件的影响, 例如操作系统(OS), 驱动器堆栈, 以及因通讯协议导致效能低落(附注: SATA及SAS需要进行协议通讯, 才能从主机系统取得数据并传送至储存装置, 再反向回传).
NVMe SSD则不用像SATA SSD, SAS SSD及其HBA一样, 受制于密集通讯协议与OS驱动器堆栈, 因而可以实现更快速的IOPS. 当我们将这种更直接式的连接与NVMe所具备的协议优势相结合时, 自然可大幅提升IOPS的效能.
图1为美光(Micron)三款高效能级SSD产品(9100 PRO NVMe, S610DC SAS, 5100 ECO SATA), 及一款效能级SAS HDD产品(15,000 RPM)所展现的4KiB随机读取IOPS效能比较, 由上而下依序为NVMe SSD, SAS SSD, SATA SSD及SAS HDD.
图1 各类型硬盘4K读取IOPS效能
PCIe NVMe SSD, SAS SSD及SATA SSD数据取自Micron SSD规格表(不同的容量与版本, 效能表现亦不同), SAS HDD效能则由Micron实验室进行SNIA效能测试规范(SNIA Performance Test Specification)企业1.1版IOPS测试取得(HDD规格表通常不含4K随机读取IOPS数值).
如图1所示: PCIe NVMe SSD以700,000次IOPS荣登4K随机读取IOPS效能之首; SAS SSD与SATA SSD分别以190,000次IOPS和93,000次IOPS位居第二和第三; SAS HDD的测试数值极低, 几乎难以辨识.
速度上的表现可转化成可观的效能优势, 满足如云端及数据中心服务器, 随选视讯, 虚拟化应用程序等需要快速响应的I/O密集工作负载.
虽然PCIe NVMe SSD的读取IOPS效能比其他类型的SSD快许多, 更是远高于HDD, 但光凭速度不足以构成更换的理由. 毕竟若可维护性不佳, 为了要更换硬盘或增加容量, IT人员无法负担关闭服务器造成的损失, 再怎么惊人的IOPS也无助于事.
有鉴于此, 可靠性, 可用性及可维护性都必须有杰出表现, 具备卓越效能, 可热插入, 可轻松存取的SSD才是最佳选择. IT人员可免除为增加容量或更换硬盘, 而必须关闭服务器及打开机壳的困扰.
NVMe SSD具备了上述所有功能. 随着2.5吋的PCIe SSD标准规范(又称为U.2)日益受到欢迎, IT人员可继续享有与SAS SSD及SATA SSD一样的高度弹性, 同时拥有NVMe的所有优势. 如不必关闭服务器就能进行热插入及热新增(以便更换硬盘或增加容量), 已经成为现今PCIe NVMe SSD的必备功能.
NVMe SSD质升量减 建置成本不增反降
随着越来越多服务器采用NVMe SSD, 因应严苛的工作负载(高核心数及更大内存容量), 应用程序效能和数据吞吐量可藉由将HDD汰换成效能更好的NVMe SSD, 而快速轻松获得提升. 例如, 为大量虚拟桌面用户提供服务的虚拟桌面图像商店, 必须支持数量庞大的小型, 随机IOPS(虚拟桌面图像(VDI)是典型小型, 随机型IO档案, 高度仰赖读取效能).
根据VMware的《虚拟桌面架构下Window 7桌面服务器和储存规模指南》报告, 每位重度用户会需要17~25次IOPS; 而在Atlantis Computing的《供虚拟桌面图像的Windows 7 IOPS: 深度驱动器》 报告中, 此数字则高达25~50次. 以每位用户25次IOPS为基准, 计算不同类型硬盘所需要的数量, 这会需要好几个HDD才能分散工作负载. 假设我们想服务的重度用户有500位, 我们需要至少25台SAS HDD, 但效能上仅只需1台SSD(可部署的最低数量). 详见图2之比较.
图2 支持500位Window 7重度用户各类型硬盘所需数量
基于NVMe SSD强大的效能优势, 所需SSD数量远低于HDD, 即可让相同数量的用户存取图像; 除了突破性的效能表现, PCIe NVMe SSD提供更高的性价比, 初始购买成本虽较高, 长远来看却能节省成本.
当追求效能成了主要动力, 每IOPS的单位成本就成了考虑的因素. 该指针显示SSD执行最擅长的工作时提供的价值: 快速储存及传输数据至应用程序. 从中可发现初始投资成本具误导性, 因为每GB的单位成本并没有计入效能表现的优势.
经由Google购物搜寻结果, 我们可以取得测试装置的前三个公开售价的平均值, 计算每个装置执行相同工作(使用图1的4K随机IOPS范例)的单位美元效能表现. 图3显示与上图相同的四个硬盘(三个SSD和一个HDD)进行的4KiB 100% IOPS读取测试(例如先前提到的虚拟桌面图像商店), 所得出的单位美元IOPS效能比较.
图3 4K随机读取的单位美元IOPS效能
图3的数值是根据每个测试硬盘(如图1)的4KiB读取IOPS的次数计算得出, 除以从Google购物取得的前三个公开售价的平均值后, 所得出的单位美元的IOPS表现. 请注意, 这是一个计算范例--倘若传送数据大小及读/写比例改变, 测试结果就会不同; 若装置价格变动亦然.
高效能外兼具低功耗 NVMe SSD点亮服务器应用
耗电量也是选择硬盘类型时考虑的重点. NVMe SSD的最大功率负载为25瓦, 15,000 RPM HDD10则为7.2瓦, 遑论单个NVMe SSD可取代许多个HDD. 以搭载25个HDD的虚拟桌面图像服务器为例, 这些硬盘平均耗电量为180瓦; 若数组更大, 如50个HDD, 耗电量就会近360瓦; 假设扩大成100个HDD, 耗电量就会增加至大约720瓦. 对这样的储存平台来说, 采用NVMe SSD可以大幅降低对电能的消耗.
总的来说, NVMe SSD在效能上可以一个或少数几个抵上多个HDD, 藉此大幅提升单位美元IOPS效能, 并且更为省电; 而在整合管理上, NVMe SSD则可协助IT人员确保操作顺畅. 结合这些优势所节省下来的成本, 升级至PCIe NVMe SSD可大大抵消购置上的花费.