然而, 為提升伺服器每秒輸入/輸出運算(IOPS)效能, 固態硬碟(SSD)逐漸取代HDD. 任何儲存平台只要使用SSD, 即可大幅改善應用程序效能; 透過NVMe規格直接與伺服器PCIe介面相連, 效能更是潛力無窮.
NVMe是種儲存協議標準, 目的是讓儲存輸入/輸出(I/O)儘可能接近系統處理器, 實現更快速的IOPS效能及較低平均延遲率. 隨著NVMe SSD使用更為廣泛, 包括可支援熱插入與熱新增, 即時進行更換或擴充的裝置等, IT團隊可藉低延遲, 高IOPS效能, 可擴充容量及其他常見支援, 滿足應用程序, 用戶與管理上的需求.
IOPS效能/可靠性兼具 NVMe SSD發展動能十足
目前, SSD有三種主機連結硬碟(Host-to-Drive)介面: SATA, SAS與PCIe. SATA SSD及SAS SSD需要主機匯流排適配卡(HBA), 該適配卡通常已經與伺服器主板的晶片集整合, 也可以是PCIe傳輸埠的擴充卡. 主機的作業系統負責控制SATA或SAS的HBA, 協助與其他的運算架構作溝通.
所有SSD類型都比傳統HDD的IOPS效能優異許多, 但仍可能受到外在條件的影響, 例如作業系統(OS), 驅動器堆棧, 以及因通訊協議導致效能低落(附註: SATA及SAS需要進行協議通訊, 才能從主機系統取得數據並傳送至儲存裝置, 再反向回傳).
NVMe SSD則不用像SATA SSD, SAS SSD及其HBA一樣, 受制於密集通訊協議與OS驅動器堆棧, 因而可以實現更快速的IOPS. 當我們將這種更直接式的連接與NVMe所具備的協議優勢相結合時, 自然可大幅提升IOPS的效能.
圖1為美光(Micron)三款高效能級SSD產品(9100 PRO NVMe, S610DC SAS, 5100 ECO SATA), 及一款效能級SAS HDD產品(15,000 RPM)所展現的4KiB隨機讀取IOPS效能比較, 由上而下依序為NVMe SSD, SAS SSD, SATA SSD及SAS HDD.
圖1 各類型硬碟4K讀取IOPS效能
PCIe NVMe SSD, SAS SSD及SATA SSD數據取自Micron SSD規格表(不同的容量與版本, 效能表現亦不同), SAS HDD效能則由Micron實驗室進行SNIA效能測試規範(SNIA Performance Test Specification)企業1.1版IOPS測試取得(HDD規格表通常不含4K隨機讀取IOPS數值).
如圖1所示: PCIe NVMe SSD以700,000次IOPS榮登4K隨機讀取IOPS效能之首; SAS SSD與SATA SSD分別以190,000次IOPS和93,000次IOPS位居第二和第三; SAS HDD的測試數值極低, 幾乎難以辨識.
速度上的表現可轉化成可觀的效能優勢, 滿足如雲端及數據中心伺服器, 隨選視訊, 虛擬化應用程序等需要快速響應的I/O密集工作負載.
雖然PCIe NVMe SSD的讀取IOPS效能比其他類型的SSD快許多, 更是遠高於HDD, 但光憑速度不足以構成更換的理由. 畢竟若可維護性不佳, 為了要更換硬碟或增加容量, IT人員無法負擔關閉伺服器造成的損失, 再怎麼驚人的IOPS也無助於事.
有鑒於此, 可靠性, 可用性及可維護性都必須有傑出表現, 具備卓越效能, 可熱插入, 可輕鬆存取的SSD才是最佳選擇. IT人員可免除為增加容量或更換硬碟, 而必須關閉伺服器及開啟機殼的困擾.
NVMe SSD具備了上述所有功能. 隨著2.5吋的PCIe SSD標準規範(又稱為U.2)日益受到歡迎, IT人員可繼續享有與SAS SSD及SATA SSD一樣的高度彈性, 同時擁有NVMe的所有優勢. 如不必關閉伺服器就能進行熱插入及熱新增(以便更換硬碟或增加容量), 已經成為現今PCIe NVMe SSD的必備功能.
NVMe SSD質升量減 建置成本不增反降
隨著越來越多伺服器採用NVMe SSD, 因應嚴苛的工作負載(高核心數及更大記憶體容量), 應用程序效能和數據吞吐量可藉由將HDD汰換成效能更好的NVMe SSD, 而快速輕鬆獲得提升. 例如, 為大量虛擬案頭用戶提供服務的虛擬案頭映像商店, 必須支援數量龐大的小型, 隨機IOPS(虛擬案頭映像(VDI)是典型小型, 隨機型IO檔案, 高度仰賴讀取效能).
根據VMware的《虛擬案頭架構下Window 7案頭伺服器和儲存規模指南》報告, 每位重度用戶會需要17~25次IOPS; 而在Atlantis Computing的《供虛擬案頭映像的Windows 7 IOPS: 深度驅動器》 報告中, 此數字則高達25~50次. 以每位用戶25次IOPS為基準, 計算不同類型硬碟所需要的數量, 這會需要好幾個HDD才能分散工作負載. 假設我們想服務的重度用戶有500位, 我們需要至少25台SAS HDD, 但效能上僅只需1台SSD(可部署的最低數量). 詳見圖2之比較.
圖2 支援500位Window 7重度用戶各類型硬碟所需數量
基於NVMe SSD強大的效能優勢, 所需SSD數量遠低於HDD, 即可讓相同數量的用戶存取映像; 除了突破性的效能表現, PCIe NVMe SSD提供更高的性價比, 初始購買成本雖較高, 長遠來看卻能節省成本.
當追求效能成了主要動力, 每IOPS的單位成本就成了考慮的因素. 該指針顯示SSD執行最擅長的工作時提供的價值: 快速儲存及傳輸數據至應用程序. 從中可發現初始投資成本具誤導性, 因為每GB的單位成本並沒有計入效能表現的優勢.
經由Google購物搜尋結果, 我們可以取得測試裝置的前三個公開售價的平均值, 計算每個裝置執行相同工作(使用圖1的4K隨機IOPS範例)的單位美元效能表現. 圖3顯示與上圖相同的四個硬碟(三個SSD和一個HDD)進行的4KiB 100% IOPS讀取測試(例如先前提到的虛擬案頭映像商店), 所得出的單位美元IOPS效能比較.
圖3 4K隨機讀取的單位美元IOPS效能
圖3的數值是根據每個測試硬碟(如圖1)的4KiB讀取IOPS的次數計算得出, 除以從Google購物取得的前三個公開售價的平均值後, 所得出的單位美元的IOPS表現. 請注意, 這是一個計算範例--倘若傳送數據大小及讀/寫比例改變, 測試結果就會不同; 若裝置價格變動亦然.
高效能外兼具低功耗 NVMe SSD點亮伺服器應用
耗電量也是選擇硬碟類型時考慮的重點. NVMe SSD的最大功率負載為25瓦, 15,000 RPM HDD10則為7.2瓦, 遑論單個NVMe SSD可取代許多個HDD. 以搭載25個HDD的虛擬案頭映像伺服器為例, 這些硬碟平均耗電量為180瓦; 若數組更大, 如50個HDD, 耗電量就會近360瓦; 假設擴大成100個HDD, 耗電量就會增加至大約720瓦. 對這樣的儲存平台來說, 採用NVMe SSD可以大幅降低對電能的消耗.
總的來說, NVMe SSD在效能上可以一個或少數幾個抵上多個HDD, 藉此大幅提升單位美元IOPS效能, 並且更為省電; 而在整合管理上, NVMe SSD則可協助IT人員確保操作順暢. 結合這些優勢所節省下來的成本, 升級至PCIe NVMe SSD可大大抵消購置上的花費.