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Stockage Flash côté serveur : les formats de disque SSD

La technologie Flash côté serveur réduit presque à néant la latence des applications. Découvrez comment la déployer et les différents choix de formats de disques.

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On a beaucoup parlé de modèles uniquement constitués de disques Flash, et des modèles hybrides, qui les combinent à des disques mécaniques. Mais côté serveur, on privilégie actuellement des déploiements de ressources de stockage sur disques SSD (Solid State Device) : cette solution est l’une des plus faciles à mettre en œuvre pour déployer le stockage Flash.

Formats de disque SAS/SATA, stockage Flash sur carte PCI Express, stockage Flash compatible NVMe (Non-Volatile Memory express), barrettes DIMM (Dual Inline Memory Module) : il y a plus d’un moyen de déployer le stockage Flash côté serveur. Et désormais, ce dernier peut être permanent ou servir de cache.

Plusieurs serveurs d’un même cluster peuvent même le partager. On voit également arriver de nouvelles fonctions et de nouveaux formats, par exemple NVDIMM.

Les formats de disque restent courants et existent en trois tailles : 3,5, 2,5 et 1,8 pouces. Ils s’insèrent dans les mêmes baies que les disques durs mécaniques. En général, ils ne sont pas échangeables à chaud.

Certains disques SSD ont la même épaisseur que les disques mécaniques, d’autres sont plus fins. Pour les serveurs, les disques SSD de 2,5 pouces sont les plus courants.

Dell a récemment annoncé un modèle de serveur en rack qui accepte les disques SSD de 1,8 pouce. Neuf de ces disques occupent le même espace physique que deux de 3,5 pouces. Si vous cherchez une solution qui prend en charge un grand nombre d’IOPS pour un encombrement minimal, les disques SSD de 1,8 pouce s’imposent.

Les capacités augmentent elles aussi. Par exemple, Samsung propose un disque SSD de classe entreprise de 2,5 pouces d’une capacité de 3,8 To. En 2015, attendez-vous à ce que d’autres fabricants proposent des disques SSD à grande capacité, de 2 To et plus. Les capacités des disques SSD de classe entreprise surpassent aujourd’hui celles des disques d’entreprise à 10 et 15 000 tours/minute.

Flash PCIe

Pour les serveurs, la carte PCIe (PCI Express) est un autre format répandu. Installées dans le logement PCIe, ces cartes confèrent un accès très rapide au stockage.

On les désigne souvent par leur capacité, mais aussi en référence à leur taille physique. Et ce dernier facteur est important en cas d’utilisation de serveurs de taille réduite : on les nomme donc « pleine hauteur, pleine longueur » et « demi-hauteur, demi-longueur », ou par leurs abréviations anglaises, respectivement FHFL et HHHL.

Les performances explosent : connectées directement au bus PCI, ces cartes affichent une latence extrêmement faible.

Leur inconvénient ? Elles se limitent à un seul serveur, qui doit être éteint pour les installer et les retirer. Pour beaucoup de disques SSD, le serveur doit comporter un logement PCIe 2.0 x8. Toutefois, certains des produits les plus récents s’insèrent dans un emplacement PCIe 3.0 x4.

Lecteurs d’amorçage

De plus en plus de serveurs d’entreprise sont configurés pour utiliser des disques SSD à l’amorçage. Chez Demartek, nous le faisons dans notre laboratoire depuis 2010. Nous apprécions la rapidité de démarrage du système d’exploitation. De plus, les applications semblent plus réactives quand elles sont chargées depuis des disques SSD.

Catégories de technologie Flash pour serveur

Du fait du mode de fonctionnement des mémoires Flash NAND, les fabricants de stockage SSD d’entreprise ont fractionné leur offre produits en trois catégories qui correspondent à autant de scénarios : usage intensif en lecture, usage mixte en lecture et écriture, usage intensif en écriture.

Les disques SSD à usage intensif en lecture conviennent bien aux applications qui écrivent une fois un contenu ou le mettent rarement à jour, mais qui le lisent souvent. Ces disques répondent aux besoins des applications affichant un rapport de 90 % de lecture pour 10 % d’écriture. Ils proposent d’excellentes performances à un prix plus intéressant que les autres catégories que nous allons aborder ici. Ils peuvent bien souvent servir de périphérique d’amorçage.

Les disques SSD à usage mixte en lecture et écriture correspondent aux applications qui ont un pourcentage de charges de travail en écriture plus important. Ils coûtent légèrement plus cher que les disques SSD à usage intensif en lecture, mais moins que ceux à usage intensif en écriture. Eux aussi peuvent servir de lecteur d’amorçage.

Les disques SSD à usage intensif en écriture sont conçus pour des applications d’entreprise qui effectuent beaucoup d’opérations d’écriture. On pense par exemple aux transactions de base de données ou aux enregistrements (journalisation). Les disques de cette catégorie sont généralement les plus chers des trois mais, si vous avez besoin de hautes performances en écriture, ils sont pour vous.

Les lecteurs d’amorçage n’ont pas besoin des mêmes niveaux de performance que les volumes des applications stratégiques : on peut donc envisager d’utiliser des disques SSD moins onéreux comme lecteurs d’amorçage de serveur. Sachant qu’il dope les performances, un disque SSD utilisé comme lecteur d’amorçage contribue à prolonger la durée de vie d’un serveur.

M.2 est un format plus récent conçu pour différents types de périphériques montés à l’intérieur des boîtiers, notamment les disques SSD. Il s’agit d’une carte de 22 mm de large et dont la longueur varie de 30 à 110 mm. Elle s’insère dans un logement M.2 PCIe et fournit jusqu’à 480 Go de capacité, ce qui est largement suffisant pour un lecteur d’amorçage. Ce format est déjà disponible pour les ordinateurs de bureau et les portables.

Autre format comparable à M.2 mais un peu plus ancien : mSATA. Ces disques SSD sont montés sur une carte d’une taille proche de celle d’une carte de visite, installée à l’intérieur du système. Le for­mat mSATA a été, lui aussi, conçu à l’origine pour les ordinateurs portables. S’il est utilisable sur des serveurs, à terme il sera probablement remplacé par le format M.2.

Un autre format grand public, celui des cartes microSD, est en cours d’adoption sur le marché des serveurs. Cette technologie de stockage est utilisée dans certains téléphones mobiles et d’autres petits appa­reils électroniques. On devrait bientôt la retrouver sous la forme de lecteur d’amorçage sur certains serveurs. La mise en œuvre serveur comprendra vraisemblablement deux cartes microSD à des fins de redondance.

Le facteur de forme SuperDOM, appellation correspondant à Supermicro SATA Disk On Module, est un format propriétaire disponible sur les serveurs Supermicro. Ce périphérique est un tout petit lecteur Flash qui s’insère dans un logement SATA spécial situé sur la carte mère nouvelle génération du serveur. Sa capacité, jusqu’à 64 Go, lui permet de servir de lecteur de démarrage.

Stockage Flash connecté directement sur le canal mémoire

On dénombre actuellement deux formats de mémoire Flash sur le canal mémoire : la mémoire non volatile NVDIMM et le stockage sur le canal mémoire MCS.

Les deux formats utilisent le canal mémoire pour les opérations de lecture et d’écriture sur le périphérique. Ils s’insèrent tous deux dans des emplacements DIMM standard et fournissent de l’espace de stockage, mais chacun à leur manière.

Le module NVDIMM intègre des composants DRAM et Flash, une logique de contrôle et une source d’alimentation indépendante, généralement des supercondensateurs. Ce module fonctionne comme une DRAM et, en cas de coupure d’alimentation imprévue ou de panne système, il enregistre les données contenues dans la mémoire DRAM sur la mémoire Flash. Lorsque l’appareil est de nouveau sous tension, les données sont restaurées depuis la mémoire Flash dans la mémoire DRAM.

Les modules NVDIMM sont actuellement disponibles dans des capacités de 4 à 16 Go. Ces capacités relativement faibles rendent l’utilisation des modules DVDIMM difficile en tant que ressources de stockage de grande envergure. Ces mémoires sont particulièrement utiles pour l’écriture en cache, le stockage de métadonnées, les bases de données In-Memory, la mise en file d’attente en mémoire et les opérations similaires qui ont besoin des pleines performances de la DRAM, mais avec une capacité de persistance.

Le stockage sur le canal mémoire utilise la mémoire Flash sur module DIMM comme périphérique de stockage. Ces dispositifs sont disponibles dans des capacités allant jusqu’à 400 Go, avec des temps de latence inférieurs à 10 microsecondes. Cette technologie se révèle particulièrement utile pour certaines applications qui exigent des temps de latence extrêmement faibles.

Toutefois, pour permettre d’utiliser ce stockage sur le canal mémoire, le BIOS ou l’interface UEFI de la carte mère doit pouvoir déterminer l’éventuelle présence de mémoire ou de stockage dans les emplacements DIMM, et faire la différence entre les deux.

Certains constructeurs de serveurs fabriquent actuellement des cartes mères dotées de cette capacité. Diablo Technologies et Netlist, deux grands fabricants, ont porté un différend devant les tribunaux : l’arrivée de ces produits sur le marché sera peut-être retardée dans l’attente de la décision de justice.

Interfaces

Certains formats de périphérique SSD utilisent plusieurs interfaces, comme SATA, SAS et PCIe/NVMe. D’autres utilisent une seule inter­face, comme SATA ou PCIe.

On utilise depuis plusieurs années l’interface SATA pour le stockage sur un seul périphérique. La technologie SATA classique que nous connaissons aujourd’hui a atteint son apogée avec l’interface à 6 Gbit/s (0,6 Go/s). Elle ne connaîtra pas d’évolution vers des débits supérieurs.

Elle sera remplacée par SATA Express qui utilise jusqu’à deux voies d’une interface PCIe pour atteindre la vitesse de 2 Go/s avec PCIe 3.0 et 1 Go/s avec PCIe 2.0.

On peut utiliser la technologie SATA avec les formats de lecteur M.2, mSATA et SuperDOM.

On utilise le SCSI en rattachement série, ou SAS (Serial Attached SCSI), comme périphérique de stockage depuis plusieurs années, et on s’oriente vers de nouvelles versions.

La version actuelle de SAS qui prend en charge 12 Gb/s permet de connecter plusieurs appareils. Elle devrait multiplier ses performances par deux pour atteindre 24 Gb/s à l’avenir. La technologie SAS fait référence au protocole SCSI et à l’interface physique sous-jacente.

Elle devrait aussi tirer parti de l’interface physique PCIe avec SCSI Express : cette interface utilisera le même protocole SCSI mais sur quatre voies de l’interface PCIe. La technologie SAS sert essentiellement au format disque dur. Les disques SSD comme les disques durs mécaniques sont disponibles avec l’interface SAS de 12 Gb/s.

NVMe est une interface logicielle conçue pour les disques SSD qui recourent à l’interface physique PCIe. Elle s’applique donc au format de disque, aux cartes SSD PCIe et à tout autre nouveau format PCIe comme M.2.

NVMe remplace les protocoles de contrôle SATA ou SAS classiques par un protocole rationalisé qui s’exécute sur un bus PCIe. Les performances s’améliorent très nettement et la latence est considérablement réduite. Lors de nos tests en conditions réelles, nous avons constaté des performances de plusieurs Go/s pour les for­ats de disque individuel et les disques SSD sur carte PCIe.

Dernière mise à jour de cet article : juillet 2015

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