Otestovali jsme SSD disky SATA a NVMe. Jak velký je mezi nimi rozdíl?

O SSD discích jsme toho napsali už hodně, zevrubněji tuto tematiku shrnujeme v článku z roku 2019 SSD disky do serverů: jaké jsou aktuální trendy?. Přestože trendy z roku 2019 dnes už tolik aktuální nejsou, obliba NVMe disků stále roste, stejně jako jejich dostupnost. Co v roce 2019 platilo za predikci, je dnes holý fakt. Více než 60 % storage serverů na trhu podporuje NVMe, protokol navržený pro rychlost.

Klíčovou součástí každé IT infrastruktury je storage. Výběr disků, jednotlivých komponent nebo podnikových úložišť je opravdu široký. V tomto článku se ale zaměříme na jednu konkrétní část struktury, a tou je způsob připojení storage systému k produkčnímu prostředí.

Zatímco jednotky pevného disku (HDD) byly nahrazeny SSD, přenosové rozhraní zůstalo technologicky stále uzpůsobené pro zastaralé HDD. Jedná se o rozhraní SATA/SAS, které počítá s pohybem rotující fyzické hlavičky, a proto má relativně nízký limit pro paralelně přenášené operace i vyšší latenci. Nově navržený protokol NVMe s PCIe rozhraním už pro přesun fyzické hlavičky uzpůsoben není, což proces přenosu urychluje.

Srovnání SATA a NVMe technologie. Zdroj: crystalrugged.com

Na obrázku výše jsou dva typy procesorů Intel, které používáme v Dell EMC serverech v MasterDC. Pokud procesor potřebuje načíst data z paměti u starší technologie vlevo, musí jít přes diskový řadič, k němuž jsou připojeny jednotlivé disky, a vyvolat operaci. Ta putuje od disků přes řadič zpátky do paměti RAM.

Mezi procesorem a řadičem je připojení přes PCIe rozhraní, hlavní problém však spočívá v připojení mezi řadičem a jednotlivými disky. Tady se jedná o SATA/SAS, starou technologii se standardním SCSI (Small Computer System Interface) protokolem pro výměnu dat navrženou původně pro mechanické disky, nikoli SSD.

Vpravo naproti tomu na první pohled odlišná technologie s protokolem optimalizovaným pro SSD disky s vysokým počtem front a IO operací na frontu. Pro transport tady slouží PCIe rozhraní a linky vycházejí z procesoru přímo do disku. Počet linek pak určuje, kolik disků může být v systému.

Diskový řadič je v podstatě součástí procesoru (v tomto konkrétním případě jde o Intel VROC RAID). Jedná se tak o řešení, které nepotřebuje další hardwarovou komponentu a současně zajišťuje prostředí, které NVMe diskům umožňuje dosáhnout jejich plného výkonu.

Měření výkonu: co ho ovlivňuje a jak jsme měřili my

Dříve, než si prakticky ukážeme naměřené rozdíly ve výkonech disků SATA a NVMe, se podívejme na aspekty, které měření ovlivňují. V prvé řadě je potřeba si ujasnit, s jak velkým IO poskytovatel počítá. Velikost IO (input a output) operace je velikost bloku dat, který je přenášen. Standardně se při měření používá velikost 4 kB, může být ale i 64 kB (používá VMware) nebo 16 kB (používá AWS).

Klíčový je pro výsledky měření poměr zápisu a čtení. Disky, které jsou optimalizované pro čtení, tzv. read intensive (RI), mají menší výkon pro zápis. Pokud si na testování nastavíme 100% poměr čtení u RI disků, získáme obrovský výkon. Při postupném přidávání zápisu bude ale výkon i hodnota přenosového pásma (MB/s) klesat.

U disků se dále nastavuje metoda zápisu – lineární nebo náhodná. V neposlední řadě má na výkon vliv množství operací, které je disk schopen zpracovávat najednou.

My jsme pro testování použili read intensive SATA disky Micron 5200 480 GB s hardwarovým a softwarovým RAID 1 a NVMe disky Intel P4510 1 TB s velikostí IO 4 kB se softwarovým RAID 1 při náhodné metodě zápisu a čtení.

Testovali jsme čtyři scénáře a postupně se zaměřili na čtecí a zapisovací operace při různém poměru čtení a zápisu. Výkon disků jsme sledovali na hodnotě IOPS IOPSIOPS udává kolik vstupních a výstupních operací zvládne zařízení zpracovat za sekunduvíce(počet IO operací, které disk může provést za jednu sekundu) a velikost latence, tedy zpoždění operace zápisu a čtení, která je uvedena v mikrosekundách. Od SSD disků požadujeme co nejvyšší hodnotu IOPS a velmi nízkou latenci.

První scénář: čtecí IOPS při 20 % čtení a 80 % zápisu

První scénář sleduje čtecí operace při poměru 20 % čtení a 80 % zápis. Zelené sloupce v grafu prezentují počet IOPS, modré pak velikost latence v mikrosekundách. V popisku horizontální osy naleznete, o jaký disk se jedná – NVMe disk (nvme), SATA s hardwarovým RAID (satahw) a SATA se softwarovým RAID (satasw).

U prvního scénáře jsme sledovali čtecí operaci při poměru 20 % čtení a 80 % zápisu. Výsledky měření jsou zaznamenány v grafu výše. Hodnota IOPS u NVMe disků vystoupala oproti SATA s hardwarovým RAID více než pětinásobně na 47 tisíc čtecích operací za sekundu.

Druhý scénář: zapisovací IOPS při 20 % čtení a 80 % zápisu

Druhý scénář sledující zapisovací operace při poměru 20 % čtení a 80 % zápis.

Druhý scénář sleduje zapisovací operace při 20% poměru čtení a 80% poměru zápisu. Hodnota IOPS u NVMe disků je násobně vyšší než u obou SATA disků. Latence NVMe disků dosahuje 279 μs. To je o 454 μs lepší výsledek než u čtecí operace SATA disků se softwarovým RAID při 20% poměru zápisu, jak můžeme vidět v grafu třetího scénáře níže.

Třetí scénář: čtecí IOPS při 80 % čtení a 20 % zápisu

Třetí scénář: čtecí operace při poměru 80 % čtení a 20 % zápis.

V grafu třetího scénáře vidíme, že latence v porovnání s prvním scénářem výrazně klesla a počet IOPS násobě vzrostl. Výsledky měření jsou při tomto scénáři nejlepší, jelikož testy probíhaly na read intensive discích. NVMe disky zpracují při těchto ideálních podmínkách až třikrát více operací než SATA s hardwarových i softwarovým RAID.

Čtvrtý scénář: zapisovací IOPS při 80 % čtení a 20 % zápisu

Čtvrtý scénář zobrazuje operace zápisu při poměru 80 % čtení a 20 % zápis.

Latence NVMe disků u zápisové operace při 80% poměru čtení je minimální, pouhých 28 μs. Třebaže jsou na tom SATA disky se softwarovým RAID o něco lépe než SATA s hardwarovým RAID, nedosahují zdaleka tak velkého výkonu jako NVMe ani v jednom z testovaných scénářů. Testy potvrdily markantní nárůst IOPS a snížení latence u NVMe disků. Výkon NVMe násobně převyšuje kapacity SATA ve všech čtyřech scénářích.

Jaký disk byste si měli pořídit?

Jistě si teď říkáte, že by bylo lepší SATA disky zahodit a investovat do NVMe. To není tak úplně pravda. Každý storage systém slouží k jiným účelům a s ohledem na to by měl být sestaven. Pro správný výběr sběrnice byste si měli udělat představu o tom, k čemu konkrétně chcete storage systém používat.

NVMe disky jsou ideální pro datově náročné aplikace, systémy vyžadující rychlý výkon, velká úložiště s nedostatkem fyzického prostoru nebo pro potřeby konzistentního doručování dat.

K získání dat z paměťového média do procesoru potřebují NVMe disky méně času, což je v grafech viditelné na nízké latenci. Ta umožňuje výkonné trvalé přenosy velkého množství datových bloků. M.2 formát používaný mnoha NVMe zařízeními zajišťuje jejich menší rozměr, ale zachovává velkou kapacitu. Nicméně použití NVMe závisí na vysoce výkonných SSD discích, které jsou dražší. Ve starších systémech navíc není velká podpora NVMe, upgrade celého jinak funkčního systému by se vyplatil asi jen v ojedinělých případech, jestli vůbec.

Máte-li starší systém, nižší budget nebo potřebujete spíše zálohovat a archivovat, jsou SATA disky stále volbou číslo jedna. Podporují je nejrůznější hardware a jsou relativně levné. Vyšší latence způsobuje, že se příliš nehodí do datově náročného prostředí a pro data, která potřebujete mít denně po ruce. Pro dlouhodobější ukládání ale není rychlost přenosu prioritou.

Při výběru disků se nezapomeňte zaměřit na formát připojení. Ten může sehrát významnou roli. Některá zařízení M.2 stále používají SATA konektory, které ale fungují mnohem pomaleji. S výběrem vhodných disků vám rádi pomohou naši obchodníci. K dedikovaným serverům si v MasterDC můžete sami zvolit, jaký disk potřebujete. Vlastní konfiguraci si sestavíte na stránce dedikovaných serverů.