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西部数据NVMe固态硬盘走向企业

by Tom Fenton
WD Ultrastar SN640 lineup

当NVMe™驱动器第一次出现时,我们知道它的性能会更好,但对它的成本何时能与SATA固态硬盘相媲美存在疑问。由于其初始成本,NVMe驱动器被用于需要其高性能特性的企业应用。就每IOPS的成本而言,NVMe驱动器没过多久就比SATA/SAS固态硬盘更便宜了。但是现在,我们开始到达一个临界点,即它们就容量而言并不比SATA/SAS固态硬盘贵多少。当我们在实验室收到西部数据Ultrastar®DC SN640 NVMe固态硬盘进行性能测试时,我们就明白了这种GB与美元的比较 – 相比于SATA/SAS固态硬盘,它提供了显著的性能改进,并针对主流企业存储市场。现在NVMe固态硬盘的价格已经接近平价,我们将其视为主流应用数据中心中的SATA驱动器的替代品,因为它们提供更好的性能,同时具有更低的功耗要求。

本报告由西部数据公司赞助。本报告中所表达的所有观点和意见均基于我们对所考量产品的客观看法。

当NVMe™驱动器第一次出现时,我们知道它的性能会更好,但对它的成本何时能与SATA固态硬盘相媲美存在疑问。由于其初始成本,NVMe驱动器被用于需要其高性能特性的企业应用。就每IOPS的成本而言,NVMe驱动器没过多久就比SATA/SAS固态硬盘更便宜了。但是现在,我们开始到达一个临界点,即它们就容量而言并不比SATA/SAS固态硬盘贵多少。当我们在实验室收到西部数据Ultrastar®DC SN640 NVMe固态硬盘进行性能测试时,我们就明白了这种GB与美元的比较 – 相比于SATA/SAS固态硬盘,它提供了显著的性能改进,并针对主流企业存储市场。现在NVMe固态硬盘的价格已经接近平价,我们将其视为主流应用数据中心中的SATA驱动器的替代品,因为它们提供更好的性能,同时具有更低的功耗要求。

WD Ultrastar SN640 on server

在深入了解Ultrastar SN640的细节并概述我们对其进行的性能测试之前,让我们先来看看西部数据在闪存方面的背景、目前的产品阵容以及SN640背后的技术,正是这些技术使其成为SATA/SAS驱动器的诱人替代品。

西部数据成立于1970年,拥有丰富的半导体开发和运营历史。他们首先生产了分立的部件,例如1970年代中期推动电子计算器革命的芯片,然后是用于磁盘驱动器的控制芯片;从这个背景出发,他们很自然地迁移到生产全套硬盘驱动器。在20世纪90年代和21世纪初,他们进行了许多创新,提高了驱动器的性能和容量。

多年来,西部数据与闪迪(SanDisk®)合作开发闪存产品,并于2016年将其收购。闪迪是闪存的早期创新者,并且随着时间推移被证明是存储市场的真正创新者。1988年,他们推出了用于计算机存储的系统闪存,并在1990年代与西部数字合作,创造了第一个商用闪存固态硬盘产品。随着时间的推移,闪迪已被证明是存储市场的真正创新者;他们推出了世界上第一个商业化NANDS MLC 1GB芯片,联合开发的microSD™卡,具有64GB X4(每单元4位)NAND闪存技术的闪存卡以及其他推动闪存发展的技术(不仅从技术和性能的角度,也从成本的角度)。

凭借这一丰富的历史,西部数据开发了一系列产品,以满足商业和企业用户的特定需求,并使用不同的品牌,以独特的产品提供满足不同市场的需求。例如,闪迪品牌专注于移动存储产品,G-Technology®品牌专注于为创意专业人士设计的驱动器和存储系统。

在西部数据品牌下,他们提供硬盘驱动和闪存驱动,以及个人和企业使用的存储解决方案。为了帮助用户选择最适合他们需要的驱动器,西部数据将他们的一些驱动器按颜色分类:西部数据绿色驱动器用于个人电脑上的日常计算需求,西部数据蓝色驱动器用于桌面使用,西部数据紫色驱动器用于监测存储,西部数据红驱动器则面向网络附加存储,西部数据黑色和西部数据金色驱动器分别是高性能游戏驱动器和企业驱动器。最后两种颜色类别拥有五年的有限保修期,其他颜色拥有三年的有限保修期。西部数据并没有在所有颜色上提供硬盘、SATA、SAS或NVMe设备,但它们确实为特定的用例提供了最合适的存储技术。

对于企业和数据中心客户,西部数据提供一系列的Ultrastar驱动器。它们在驱动器前加上一个两字符代码来指明设备的类型:HC为硬盘设备,SS为SAS驱动,SN为NVMe驱动,SA为SA SATA驱动,ME为内存扩展驱动。

我们在本文中将看到的驱动器是西部数据Ultrastar DC SN640 NVMe固态硬盘。它是Ultrastar DC SN630的后继者,具有关键的性能改进。这两款驱动器都采用了西部数据的内部NVMe控制器以及自己的NAND和固件,提供了大量优化,从而实现稳定的低延迟和高性能。这些驱动器针对主流设计,是西部数据作为过渡驱动器推出的,使企业客户从最后一代SATA/SAS闪存技术转向当前的NVMe闪存。西部数据公司为分销和电子零售商提供少量的西部数据金色NVMe固态硬盘,它具有许多与Ultrastar SN640相同的功能。值得注意的是,西部数据公司还提供针对运行关键任务工作负载和高性能计算服务器的全闪存阵列(AFA)的Ultrastar DC SN840 NVMe固态硬盘。我们期待得到这一产品。

WD Ultrastar SN640 back

SN640 NVMe驱动器的尺寸为2.5” x 7mm,拥有U.2连接器,包含从800GB到7.68TB不等的存储容量。因为这些驱动器是专为企业和数据中心使用而设计的,它们提供五年的有限质量保证,平均故障间隔时间(MTBF)200万小时,评估为0.8或2.0 DWPD,拥有安全擦除(SE)、即时安全擦除(ISE)或TCG Ruby安全选项。为了提高性能,SN驱动器使用西部数据自己的PCIe Gen 3.1 x 4(NVMe 1.3)控制器。此外,为了在成本上相比SATA/SAS固态硬盘驱动器具有竞争力,它们使用了西部数据的96层BiCS4 3D TLC NAND。西部数据对这些驱动器的随机读取评估高达515K IOPs,并宣称它们的读取性能是SATA驱动器的5倍,而IOP/瓦特比SATA驱动器低65%。

西部数据Ultrastar DC SN640 NVMe固态硬盘规格:

  • 形状因数:2 2.5”, 7mm
  • 容量800GB到7680GB
  • NAND:西部数据BiCS4 3D TLC NAND
  • 接口第3代PCIex4(兼容NVMe 1.3c)
  • 性能:(TCG Ruby模型)
  • 顺序读取性能(最高):3340 MB/s
  • 顺序写入性能(最高):2190 MB/s
  • 随机4KiB读取(最高):515K IOPS
  • 随机4KiB写入(最高):161K IOPS
  • 随机70/30读取/写入,4KiB(最高):305K IOPS
  • 读取延迟(最低):78微秒
  • 耐久性和可靠性:
    • DW/D:0.8(阅读密集型),2(混合使用)
    • 不可修复比特误码率(UBER):1/1017
    • 平均故障间隔:200万小时
    • 断电保护(PLP)和端到端数据路径保护
  • 特点
    • 支持128个NVMe命名空间
    • 可变扇区大小支持
    • NVMe-MI 1.1(TCG Ruby模型)
    • 安全擦除、即时安全擦除和TCG Ruby
  • 环境:
    • 工作功率状态(最大):12瓦
    • 空闲功率状态(典型):<5瓦
    • 工作温度:环境温度0到70 °C,建议气空气流动
    • 非工作温度:-40°到85° C
  • 5年有限质量保证

NVMe驱动器出现在企业市场已经有一段时间了,传统上NVMe驱动器广泛应用的最大障碍是成本,但现在情况不一样了。容量7.68TB的SN640的市场价为1400美元,同等容量的SATA固态硬盘的市场价为1200美元。容量更小的驱动器,如SN640 960GB,售价为300美元,而数据中心级别的SATA固态硬盘驱动器售价为260美元。换句话说,价格只需增加16%,你就能得到一个性能更好的驱动器。通过改用到NVMe驱动器,服务器能处理要求快速响应时间的现代工作负载。SATA驱动器由于有限的带宽和高得多的延迟,不能有效地处理当今应用程序的迫切存储需求。

由于价格高昂,NVMe驱动器在最初发布时被降级为小众用例。然而,现在,SN640等更新的NVMe固态硬盘已经成为主流工作负载的存储解决方案,例如支持虚拟机(VM)、充当软件定义存储(SDS)的闪存缓存,甚至充当启动设备。目前我们认为阻碍它们广泛应用的一个不利条件是服务器仍在努力追赶它们,并非所有服务器都能支持人们想要填充的NVMe端口数量。如果确实是这样,那么服务器架构师需要公正地使用这一有价值的资源(不是从成本的角度,而是从性能的角度),并确保尽可能明智地使用它们的性能。

测试数据

为了测量西部数据Ultrastar DC SN640 NVMe固态硬盘的性能,我们使用了业界标准的戴尔易安信PowerEdge R740xd服务器,该服务器配备了兼容NVMe的背板。该服务器配置提供12个NVMe盘位,我们从中使用了8个插槽。

测试环境:

  • 8x西部数据Ultrastar DC SN640 NVMe固态硬盘
  • 8x西部数据Ultrastar SA210 SATA固态硬盘
  • 戴尔易安信PowerEdge R740xd服务器,12个NVMe插槽(使用8个)
  • CPU 2 x Intel® Scalable Platinum 8280
  • DRAM 12 x 32GB DDR4-2933MHz

我们关注的基准是合成工作负载,它着眼于使驱动器显示其峰值带宽或吞吐量数字,以及应用程序工作负载,它显示了更多关于用户期望的真实数据。在这两个领域中,我们的应用程序工作负载能够更好地观察延迟性能。对于这些测试,我们使用CentOS 7环境,在其中为合成部分安装了VDBench,为SQL Server和MySQL™ Sysbench虚拟机安装了VMware ESXi™ 6.7u3。

为了更好地理解这些NVMe驱动器与SATA固态硬盘的对比情况,我们在西部数据Ultrastar DC SA210 1.92TB SATA驱动器上进行了测试,并将它们与3.84TB SN640进行比较。

下面的图表显示,在每个类别中,西部数据SN640都以巨大的优势击败了SATA驱动器。Sysbench的平均延迟改善46%,在4K 70/30随机IOPS测试中显著提高了875%。

原始性能数据令人非常震撼,但我们想感受一下在现实条件中的转化情况。我们首先考察了这些驱动器处理VDI周一早晨启动风暴的能力。

SATA驱动器的延迟迅速退化到需要3毫秒才能响应,而SN640继续工作,延迟逐渐上升到略超500微秒,直到我们在略高于150000 IOPS的情况下停止测试。

然后,我们运行了最初的登录测试,SATA驱动器再次很快衰竭,而西部数据SN640在测试期间只显示了延迟的略微增加。

对于我们最终的现实条件测试,我们在驱动器上运行了80/20随机读写测试。SATA驱动器再次在初期达到峰值,而SN640能够通过大范围的IOPS提供卓越的性能。

SN640不仅表现出了显著的低延迟(由于IOPS数量的压力,延迟会逐渐小幅上升),而且在我们的测试期间,该驱动器还提供了稳定的服务质量。

结论

我们在Ultrastar DC SN640上的测试证实,西部数据使用其最新的内部控制器96L闪存和固件,提供了一个主流NVMe固态硬盘,它平衡了性能和功耗,带来一个经济高效的解决方案,可以彻底取代SATA。NVMe驱动器的每IOPS成本很快就达到了平价水平,我们曾预计未来会出现NVMe驱动器在容量上具有成本竞争力的拐点,而我们现在就处在这个拐点上。在一次偶然的价格比较中,我们发现SN640的每GB价格仅比SATA/SAS固态硬盘略高一点。从上面所示的性能角度来看,根本没有使用SATA固态硬盘存储数据的理由。

WD ultrastar sn640 closeup

长期以来,西部数据一直是存储技术的创新者,并走在存储技术的最前沿,这一成就延伸到了闪存驱动器。从SN640系列驱动器中可以看出西部数据的不懈创新,他们不仅能利用自己的技术实力从设备中获得卓越的性能,而且能以极具吸引力的价格实现这一点。

Ultrastar SN640充当了一个很好的网关驱动器,让用户放弃上一代存储设备,转而使用基于NVMe的闪存。数据清楚地表明,NVMe是为数据中心的各种工作负载提供响应性能的前进之路。NVMe驱动器不仅提升当前工作负载的性(如数据库和虚拟化工作负载能),还将数据中心定位于满足正在开始出现的要求更高的下一代工作负载,如机器学习(ML)和人工智能(AI),这些工作负载需要拥有超低延迟和超高带宽的存储解决方案。

Western Digital Ultrastar NVMe Series

Better with NVMe

Western Digital SN640 Infographic

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