Teknoloji Sayfası İşletme SSD Arabirimi Giriş PCI Express (), hem istemci, hem de işletme bilgi işlem uygulamalarında kullanılan genel amaçlı bir veri yolu arabirimidir. Varolan toplu depolama arabirimleri (SATA, SAS), ana bilgisayara ana bilgisayar bağdaştırıcıları üzerinden bağlanır ve onlar da arabirimine bağlanır. SATA arabirimi, bir sabit disk (HDD) arabirimi olarak tasarlanmıştır, SAS arabirimi ise hem cihaz arabirimi, hem de depolama alt sistemi arabirimi/ altyapısı olarak tasarlanmıştır. HDD'ler ve sistem koşulları geliştikçe ve daha hızlı arabirimler ve yeni özellikler gerektirdikçe, SATA ve SAS arabirimleri birden fazla revizyondan geçmiştir. SSD'lerin veri hızları onlarca MB/sn'den yüzlerce ve artık binlerce MB/sn'lere çıktıkça katı hal diskler (SSD'ler), bu arabirimlere hızlı bir şekilde önemli ölçüde yeni performans koşulları ekledi. Veri hızlarındaki artışın yanında, SSD'lerdeki mekanik hareketlerin eksikliği, bu depolama cihazlarının gerçekleştirebildiği saniye başına giriş ve çıkış işlemi (IOPS) sayısını da artırdı. Bu gelişme, varolan sistem mimarisiyle uyumluluğu korurken yeni performans koşullarını da yönetmek için varolan standartların uygulamalarında geliştirme yapmanın yanı sıra varolan arabirim standartlarında da geliştirme yapılmasını gerekli kılmıştır. Bu çalışma, farklı arabirimleri ele alır ve karşılaşılan farklı performans ile uyumluluk ödünlerini karşılaştırır.
SATA Arabirimi SATA, kablo veya basılı devre panosu (PCB) izi üzerinden noktadan noktaya bağlantı için tasarlanmış düşük maliyetli bir arabirimdir. Ana bilgisayar bağlantısı, genellikle veri yolundaki ana bilgisayar yonga setinde ana bilgisayar bağdaştırıcısı olarak yer alan gelişmiş bir ana bilgisayar kontrol birimi arabirimine (AHCI) kurulur. Bu arabirimde, her komut için 1μs (veya daha yüksek) veri yolu tepesi oluşturabilen bazı tasarım sorunları vardır. Bu, 4 KB aktarmanın 10μs sırasında olduğu HDD'ler için büyük bir sorun değildir, ancak SSD'ler, 4 KB veriyi 2μs (veya daha kısa sürede) aktarabilir, dolayısıyla genel toplam daha önemli hale gelir, SATA arabirimi ise, yüksek performanslı toplu depolama arabirimi olarak daha önemsiz olur. SATA, karar verirken en önemli faktörün performans değil, maliyet olduğu düşük maliyetli bir SSD arabirimi olarak uygun bir seçimdir. SATA mimarisi, SATA komut setini, aslında fiziksel SATA arabirimi (PHY) (Şekil 1) içermeden yöneten bir ana bilgisayar bağdaştırıcısıyla birleştirilebilir. SAS Arabirimi AHCI SATA Şekil 1. Mimari Birleştirmesi SATA AHCI KONTROL BİRİMİ KONTROL BİRİMİ SAS, ana bilgisayara bir ana bilgisayar bağdaştırıcısından bağlı bir seri arabirimdir, ancak bir SSD arabirimi olarak kullanılabilmesini sağlayan önemli farklar vardır: Daha az genel donanım masrafı; Daha hızlı aktarma oranları; Geniş bağlantı noktaları; Verimli sürücü kontrol birimi arabirimleri. Ayrıca SAS, SATA'da bulunmayan ve arabirime bağlı cihazların güvenilirliğini ve kullanılabilirliğini iyileştiren özellikler içerir: Sağlam seri iletişim kuralı; Birden fazla ana bilgisayar desteği; Baştan sona veri bütünlüğü; Çift bağlantı noktası kapasitesi; Yüksek eşzamanlılık ve birleştirme dereceleri. SSD Daha Az Genel Donanım Masrafı SAS için, SATA AHCI kontrol birimine eşdeğer olabilecek evrensel bir ana bilgisayar arabirimi yoktur. Onun yerine, performansın önemli bir faktör olduğu SAS ana bilgisayar bağdaştırıcısı piyasasında, sadece bireysel HDD'lere değil, geliştirilmiş aktarma hızı için birden fazla HDD milinin aktarma hızının birleştirildiği farklı RAID sistemlerine de arabirim oluşturmak için birden fazla satıcı rekabet ediyor. Ayrıca SAS ana bilgisayar bağdaştırıcıları, daha yüksek performanslı SSD'leri ve HDD'leri (örneğin kısa vuruşlu 15K devir/dakika diskleri) yönetmek için tasarlanmıştır. Donanım ana bilgisayar bağdaştırıcısı ile ana bilgisayar bağdaştırıcısını yöneten cihaz sürücüsü tek sistem olarak tasarlandığından, SSD'ler için iyileştirilmiş yeni tasarımlar piyasaya çıkmaya ve sadece aktarma hızlarını değil, IOPS de geliştirilmeye başladı. Daha Hızlı Aktarma Oranları SAS bağlantı noktaları şu an maksimum 6 Gb/sn veri hızlarını desteklemektedir. LSI ve PMC-Sierra gibi şirketler, 12 Gb/sn veri hızlarını ve 2 milyonun üstündeki IOPS'yi desteklemek ve gelecekte 24 Gb/sn'ye çıkmak için geliştirilmekte olan tasarımları deniyor. Geniş Bağlantı Noktaları SAS mimarisine, geniş bağlantı noktaları konsepti de dahildir burada birden fazla bağlantı birleştirilerek, cihazla bir veya daha fazla ana bilgisayar arasında birden fazla eşzamanlı yola izin verilir. Geçerli SAS diski konektörü, disk için iki bağlantı noktası tanımlar. Bir tasarım seçimi olarak geçerli HDD'ler geniş bağlantı noktasını desteklemez; sadece her bağlantı noktasının, geniş bir bağlantı noktası olarak yapılandırmayı önleyen farklı bir SAS adresi olan çift bağlantı noktasını destekler. SAS-3 (12 Gb/sn) için kabul edilen teklifler, diskteki bağlantı noktası sayısının dörde çıkarılmasına izin verir ve bunların hepsi aynı etki alanına bağlanabilir veya çift halinde farklı etki alanlarına bağlanabilir. Çok sınırlı sayıda SSD, iki bağlantı noktalı bir cihazda çift bağlantı noktasının yanında geniş bağlantı noktasını da destekleyebilir.
Sağlam Seri İletişim Kuralı SAS serisi iletişim kuralı, seri vericilerin ve alıcıların eğitimini sağlar. Bu, kanal uzunluğu, empedans uyumsuzluğu ve simgeler arası çakışma için dengeleme sağlayarak kablo veya arka düzlemdeki sinyal kalitesini iyileştirir. SAS serisi iletişim kuralı ayrıca hata saptamayı ve donanım seviyesinde yeniden aktarmayı da yönetir. Bu, kesintili sinyal sorunlarından daha hızlı kurtarma imkanı sunar. Tablo 1. SAS'ın Avantajları ve Teklif Edilen Birden azla Bağlantı Geliştirmeleri SAS Birden azla Bağlantı (BW) Kullanılabilir Güç Toplam Gecikme Süresi Çok Ana Bilgisayarlı İletişim Kuralı X4 (4x600 MB/sn) 25 W (2,5 inç) çok düşük Birden azla Ana Bilgisayar Desteği SAS arabirimi ve geçiş dokusu, aynı cihaza birden fazla ana bilgisayarın erişmesini sağlar. Bu özellik, gelişmiş veri kullanılabilirliği için veri yolu arızalarının yanı sıra ana bilgisayar arızalarını da yönetmek için kullanılır. Yüksek Kullanılabilirlik Ölçeklenebilirlik Sağlam, Kanıtlanmış İletişim Kuralı Yığını Çalışırken Değiştirme Servisi Olanağı (Çift Bağlantı Noktası) Mükemmel Baştan Sona Veri Bütünlüğü SAS arabirimi, ana bilgisayar veri arabelleğinden oluşturuldukları zamandan, arabirimi ve SAS arabirimi üzerinden aktarmaya ve cihazda saklandığı ve tekrar okunduğu ve ana bilgisayar veri arabelleğine aktarıldığı zamana kadar, veri bütünlüğünü verilerin periyodik boşluk kontrolleri (CRC) ile doğrulayabilir. Bu, RAID kontrol birimleriyle uygulamalardan gelen yol boyunca ve cihazlarda birden fazla kontrol noktası olmasını sağlar. Bu özelliğe bazen koruma bilgileri (PI) denir. Çift Bağlantı Noktası Kapasitesi SAS hedef cihazları, çift bağlantı noktası işlemini destekler. Bu, iki arıza etki alanı oluşturma imkanı sunar ve daha fazla kullanılabilirlik sağlar. Bir bağlantı noktasına giden yollardan birinde bir arıza oluştuğunda bile, ikinci bağlantı noktası kullanılarak cihaza erişilebilir. Bugüne dek Seagate, arabirim benimsemede piyasanın öncüsü olmuştur. Seagate, yaygın olarak kullanılan, mevcut SAS altyapısından (Şekil 2) yararlanmak için SCSI Ticaret Birliği (STA) ve diğer endüstri liderleriyle birlikte çalışıyor. Tablo 1'de, 12 Gb/sn SAS ve çoklu bağlantının sistem kurucuları ve son kullanıcı kuruluşları için sunduğu avantajlar gösterilmiştir. ÇİT BAĞLANTI NOKTASI 2 AKIŞ PCI Express Arabirimi ÇİT BAĞLANTI NOKTASI 2 AKIŞ ÇİT BAĞLANTI NOKTASI 4 AKIŞ MULTI-LINK 4+ AKIŞ 2011 2012 2013 2014 Şekil 2. SAS Arabirimi Evrimi PCI Express (), çevre cihazlarını ana bilgisayar işlemcisine ve bir bellek kontrol biriminden de sistemdeki bellek mimarisine bağlayan temel arabirimdir. Daha önce bahsedilen SATA ve SAS arabirimlerinin her ikisi de ana bilgisayar işlemcisine ve belleğine bir arabirimi (veya ana bilgisayar bağdaştırıcılı) üzerinden bağlanır. Varolan Yönetimle Uyumlu SW arabirimi, çevre aygıtlarıyla ana bilgisayar işlemcisi/belleği arasında paralel adres/veri bağlantısı sunan orijinal PCI arabiriminin bir seri uygulamasıdır. arabirimi, her hat için bir gönderme ve bir de alma seri arabiriminden oluşan bir veya daha fazla hat üzerinden iletişim sağlar. Bir ana bilgisayarı cihaza bağlamak için maksimum 32 hat kullanılabilir. Her hattaki seri veri hızı, uygulanan standardının sürümüne bağlıdır, geçerli sürüm 3.0'dır ve veri hızı yaklaşık 1 GB/sn'dir. Bir 1U sunucusu için arabirimi, bir (istemci) ana kartında tek konektör, bir (sunucu) ana kartında ise iki konektör ve dik açılı bağdaştırıcı kullanacak şekilde tasarlanmıştır. Bir kablo sistemi de kullanılabilir (ancak çok nadiren kullanılır). 2U, 4U veya 7U sunucularında, istemci uygulamalarına benzer şekilde, çok daha fazla yuvası vardır. özelliği ayrıca bir yapılandırmanın empedans varyasyonlarına adapte olmak için verici (ve alıcı) eğitimi de kullanır, ancak SAS'tan daha kısa uzunlukta aktarım kanallarını hedef alır. anahtarları tek köklü I/O sanallaştırması (SR-IOV) ve çok köklü I/O sanallaştırmasını (MR-IOV) bağdaştırır; tek veya çoklu ana bilgisayarlı sanal (hiper yönetici) sistemlerde kontrol birimi performansının geliştirmek için kullanılan yöntemler. SR-IOV daha yeni bağdaştırıcılarda genel olarak kullanılmaya başlamıştır; bununla birlikte, WMware henüz onun bu avantajından faydalanamayabilir. MR-IOV normalde bağdaştırıcılar üzerinde desteklenmemektedir.
ANA BİLGİSAYAR VERİ YOLU Şekil 3. SAS Arabirimi Evrimi SAS HBA CTRL DEPOLAMA SAS CTRL DEPOLAMA arabirimini kullanarak bağlanan depolama cihazları, bunu ya doğrudan kayıt bağlantısı, ya da daha sonra cihaza ek kablolar veya arka düzlem tipi bir arabirimle bağlanan bir ana bilgisayar bağdaştırıcısı üzerinden gerçekleştirir. Hâlihazırda, her iki mimarinin de çok sayıda farklı uygulamaları mevcuttur. SATA, sistem yonga setinde (southbridge) (Intel veya AMD AHCI) farklı AHCI sürücüleri gerektiren, ancak uyumlu eski IDE uygulamalarıyla eşleşen bir ana bilgisayar veri yolu bağdaştırıcısı uygulaması kullanmaktadır. Bu arabirimler, aynı zamanda, çeşitli RAID yönetim özelliklerini de gerçekleştirmektedir. SAS, performans ve yapılandırılabilirlik için çeşitli ihtiyaçları karşılamak üzere tümü özel cihaz sürücüleri, BIOS kullanan mevcut ilave genişleticiler ve RAID kontrol birimleri ile HBA'ların çoklu tedarikçilerine sahiptir. sürücü kontrol birimi arabirimi, NVM Ekspres özelliklerinde ve spesifikasyonu üzerinden önerilen SCSI'da uygulanmaktadır. Yukarıda açıklanan SATA birleşik mimarisi, doğrudan kayıt bağlantısının bir başka örneğini teşkil etmektedir. Günümüzdeki SSD'leri Bugün piyasada başlıca iki tür SSD'si mevcuttur. Yerel ve toplayıcı. Yerel kontrol birimi ana bilgisayar veri yoluna eklenir ve çoklu flash bellek veri yolarını doğrudan kontrol eder. Bunlar tipik olarak imalatçıya özel olan ve yalnızca belirli cihazlar için kullanılan bir yazılım arabirimi kullanır. Bu uygulamaların bir kısmı, adres dönüşümünün ve diğer fonksiyonların yükünü CPU ve bellek üzerine yüklemektedir. Bu da cihazlar ağır iş yükleri altında kullanıldığında uygulamalar için sistem kaynaklarının azalmasına neden olmaktadır. Tüm bunların yanı sıra, piyasada oldukça yeni olan bu eşsiz sürücüler ve donanım bileşenleri bazen dengesizlik gösterebilir, çünkü ekosistemleri halen gelişim kaydetmektedir. Toplayıcı modeli tasarıma farklı bir yaklaşım getirmektedir. Bu yaklaşım, çoklu SAS veya SATA SSD'lerin eklendiği mevcut bir SAS veya SATA RAID kontrol biriminden faydalanmaktadır. Tüm bunların hepsi tek bir kartında bir arada paketlenmektedir. RAID kontrol birimi, yüksek seviye performans sunan çoklu cihazların performansını bir araya getirir. Mevcut başarısı kanıtlanmış hızlı ve güvenilir donanım ve yazılım arabirimlerini temel alan bu tasarımlar çok stabil ve olgundur. Tüm bunların yanı sıra, bu tasarımlar ağır I/O iş yükleri altında gerçekleştirilen uygulamalarda bile sistem CPU devirlerinin ve belleğin tam olarak kullanılmasına imkan sağlayan adres dönüşümleri ve başka işlevler gerçekleştiren akıllı kontrol birimleri kullanmaktadırlar. SSD'lerinin Geleceği Hem SOP hem de NVMe yaklaşımları mimari açıdan benzerdir. Bununla birlikte, NVMe bir endüstri grup çalışması içinde geliştirilirken, SOP ise herkesçe bilinen açık standartlar forumunda geliştirilmektedir. NVMe'nin sadece kalıcı bellek cihazlarında kullanılması hedeflenirken, SOP'nin ise çeşitli SOP cihazları arasında köprüleme özellikleri olan ana bilgisayar veri yolu bağdaştırıcıları ve RAID kontrol birimleri için kullanılması hedeflenmektedir. Tüm bunların yanı sıra, SOP mevcut endüstri mimarilerini ve özelliklerini oldukça geliştirirken, NVMe ise yeni, çok kısıtlı bir komut kümesi ve kuyruk yazılımı kullanmaktadır. Arabirim Avantajları ve Sorunları Açıklanan depolama mimarilerinin her birinin avantajlarının yanı sıra sorunları da vardır. Genel sistem tasarımına bağlı olarak, belirli bir mimari kullanmanın faydaları, o mimari ile bağlantılı sorunlardan ağır basabilir ve uygun kararın verilebilmesi için dikkatli bir analizin yapılması gereklidir. Söz konusu karar, aynı zamanda, mevcut bir sistem tasarımı ile uyumluluğun göz önünde bulundurulmasını da içermelidir. Örneğin, bir SSD ile mevcut bir 2,5 inç SATA HDD'ye sahip olan bir dizüstü bilgisayar sisteminin güncellenmesi, yalnızca aynı fiziksel boyutta bir SSD ile ve aynı (veya daha yeni) SATA arabirimi ile çalışabilir. Bu durumda SSD'nin ne kadar hızlı olabileceğinin bir sınırı olacaktır; mevcut ana bilgisayar SATA arabiriminin hızının aşılması sistemin performansına katkıda bulunmayacaktır. Benzer bir durumda, bir veri tabanı dizini depolamak için kullanılan kısa vuruşlu bir 15K-RPM SAS HDD bir işletme sunucusu, başka bir sistem faktörünün yeni darboğaz haline geldiği ölçüde genel sistem performansını artıracak bir SAS SSD kullanarak güncellenebilir (CPU, bellek, ağ, bağdaştırıcılar vb.). Yeni bir sistem mimarisinde, katı hal depolamanın ilave edilmesi, sistem mimarisinin geri kalanı artan veri hızını ve veri bant genişliğini bağdaştırdığı ölçüde sistem performansını gözle görülebilir bir biçimde artırabilir. SSD'lerde daha hızlı veri hızları, cihaza daha fazla güç beslenmesini ve SSD nereye monte edilirse edilsin daha fazla ısı dağılımını da gerektirir.
Komutlar/Taşıma Tablo 2. Yerel ve Toplayıcı SSD Karşılaştırması Yerel Özel (TL 1, ana bilgisayarda/ ana bellekte) Toplayıcı SCSI veya SATA (Birden fazla SSD, kartta kontrol birimi) RAID SSD SSD Bir diğer faktör ise, işletim sistemi cihaz sürücülerinin kullanılabilirliği için zamanlama ve yazılımın başlangıç güvenilirliğinin yanı sıra bu yeni SSD arabirimleri için BIOS desteğidir. Komite Yok Yok Standartlara Dayalı Hayır lash ile Performans Yüksek Yüksek CPU Genel Masrafları Yüksek Düşük Kısa Sıralı Gecikme Süresi Çok Düşük Düşük Derin Sıralı Gecikme Süresi Orta Düşük Kasa Genişletilebilirliği Kullanımı Hayır (RAID, HBA vb.) Olgunluk Gelişen Kanıtlanmış Endüstri Mimarilerine Dayanır İşletme Özelliği Seti (PI, Güvenlik, Yönetim vb.) 1 TL: lash Çevirme Katmanı Hayır 1 SOP: PCI Express üstünde SCSI 2 NVMe: Kalıcı Bellek Express 3 Sorgulama arabirimi 4 INCITS: Uluslararası Bilgi Teknolojisi Standartları Komitesi Tablo 3. SOP ve NVMe SSD Karşılaştırması Komutlar/Taşıma SOP/PQI 3 (kontrol birimindeki TL) SOP 1 NVMe 2 Uygulamaya bağlıdır NVMe/NVMe (kontrol birimindeki TL) Komite T10/INCITS 4 Endüstri Çalışma Grubu Standartlara Dayalı (ANSI/ISO) Hayır lash ile Performans Çok Yüksek Çok Yüksek CPU Genel Masrafları Düşük Düşük Kısa Sıralı Gecikme Süresi Çok Düşük Çok Düşük Derin Sıralı Gecikme Süresi Düşük Düşük Kasa Genişletilebilirliği Kullanımı (RAID, HBA vb.) Hayır (sadece NVM) Olgunluk İşletme Özelliği Seti (PI, Güvenlik, Yönetim vb.) www.seagate.com Kanıtlanmış Değerlere Dayanır Endüstri Mimarileri Tam Destek TBD Sınırlı Arabirimler ve lash SSD Gecikme Gerçekleri Hangi etmenlerin gecikmeye neden olduğu ve onların aslında uygulamanın performansını ne ölçüde etkilediği konusundan çok sayıda kavram yanılgısı söz konusudur. Bu açıdan bakıldığında, resmin sadece küçük bir kısmına değil, bütününe odaklanmak önemlidir. SSD'lerdeki gecikmeye neden olan baskın yardımcı unsurlar flash parçalarıdır. SLC erişim süreleri 25µs+; MLC erişim süreleri ise 50µs+'dır, her ikisi için de erişim çatışması göz önünde bulundurulmamıştır. Kuyruk derinlikleri artıkça, flash parçalarına erişim için çatışma, gecikmeye ciddi anlamda katkıda bulunabilir. Bir flash parçası erişimine başladığında, aynı parçaya olan diğer talepler beklemek zorundadır. Sekiz kadar flash kalıbı, veri yolunu kullanarak kalıbın onların devrini beklemesine neden olan ortak bir veri yolunu paylaşır. Program ön işlem faaliyetleri ek gecikmeye neden olur (adres dönüşümü, kötü girdileri temizleme, hafıza ürünlerinde hücrelerdeki aşınmayı dengeleme teknolojisi). Bir diğer konu ise, erişim protokolü ve ara bağlantıya bakılmaksızın gecikmeye neden olan işletim sistemidir. Bunlar dosya sistemi, birim yöneticisi, sınıf sürücüleri ve içerik değiştirme destek işlemlerini içermektedir. Protokollerdeki ve ara bağlantılarındaki farklılıklar, bir uygulamadan görüleceği üzere gecikme konusunda göz ardı edilebilir etkilere sahiptir (bir mikro saniyenin kesirleri). KUZEY VE GÜNEY AMERİKA Seagate Technology LLC 10200 South De Anza Boulevard, Cupertino, California 95014, ABD, +1 408-658-1000 ASYA/PASİİK Seagate Singapore International Headquarters Pte. Ltd. 7000 Ang Mo Kio Avenue 5, Singapur 569877, +65 6485 3888 AVRUPA, ORTA DOĞU VE ARİKA Seagate Technology SAS 16-18 rue du Dôme, 92100 Boulogne-Billancourt, ransa, +33 1 41 86 10 00 2012 Seagate Technology LLC. Tüm hakları saklıdır. ABD'de basılmıştır. Seagate, Seagate Technology ve Wave logosu, Seagate Technology LLC'nin ABD'deki ve / veya diğer ülkelerdeki tescilli ticari markalarıdır. Diğer tüm ticari markalar ya da tescilli ticari markalar, ilgili sahiplerine aittir. Seagate'in, sunduğu ürünleri veya teknik özelliklerini önceden haber vermeksizin değiştirme hakkı saklıdır. TP625.1-1203TR, Mart 2012