SSD PCIe 5.0 nos centros de dados: marketing ou um verdadeiro ganho de desempenho?

PCIe 5.0, NVMe e SSD: separar

Para uma avaliação fiável, é necessário distinguir três níveis: PCIe O «bus» de transporte é a ligação entre o host e o dispositivo; o NVMe é o protocolo subjacente para memória não volátil; e o SSD é a unidade concreta com controlador, memória NAND Flash e firmware. Uma ligação PCIe rápida descreve, portanto, apenas a ligação possível; não define nem o processamento interno do SSD nem o desempenho de uma aplicação.

O PCIe 5.0 funciona a 32,0 GT/s por lane, enquanto o PCIe 4.0 atinge 16,0 GT/s por lane. Assim, a taxa de sinalização por lane duplica e, consequentemente, a largura de banda da ligação teoricamente disponível em relação à Gen4. No entanto, esta afirmação diz respeito ao caminho de transmissão: não é uma garantia de que as consultas à base de dados, as máquinas virtuais ou as tarefas de IA também funcionem duas vezes mais depressa.

No caso de uma típica Ligação x4 É possível deduzir a ordem de grandeza a partir dos dados da PCI-SIG. Segundo a PCI-SIG, uma ligação PCIe 5.0 x32 proporciona 128 GB/s de largura de banda bruta efetiva em cada direção. Quatro lanes correspondem a um oitavo de 32 lanes, pelo que, matematicamente, o PCIe 5.0 x4 resulta em cerca de 16 GB/s em cada sentido. Trata-se de um valor de ligação e não de uma taxa de transferência alcançável pelo SSD; outras componentes do protocolo, bem como o controlador, a memória NAND e o firmware, reduzem ou limitam o desempenho utilizável.

Além disso, o controlador do SSD, o número e a organização dos chips NAND, os algoritmos do firmware, bem como os padrões específicos de leitura e gravação, também representam limitações. Profundidades de fila baixas ou acessos pequenos e mistos podem abrandar uma aplicação, embora a ligação PCIe tenha, teoricamente, ainda reservas. Por outro lado, um fluxo de dados sequencial paralelo pode tirar partido de uma ligação de anfitrião mais rápida, sem que isso se torne uma regra geral de desempenho.

Para a aquisição de Armazenamento em servidor Por isso, a questão decisiva não é apenas „Gen4 ou Gen5?“. Em vez disso, é necessário verificar se o caminho PCIe existente, o próprio SSD e a carga de trabalho real de E/S constituem o mesmo gargalo. Só quando estes níveis estiverem em sintonia é que a taxa de ligação adicional do PCIe 5.0 poderá tornar-se relevante na prática para a aplicação.

Por que razão os SSDs empresariais são avaliados de forma diferente

A SSD empresarial não é selecionado apenas com base na velocidade sequencial em MB/s. Num centro de dados, além do desempenho, o que mais conta é, acima de tudo, o funcionamento contínuo e previsível, a monitorização operacional e a integração em plataformas de servidores. Os modelos de consumo podem ser tecnicamente adequados para tarefas específicas, mas não cumprem automaticamente os requisitos de disponibilidade, manutenção, mecanismos de proteção e percursos de firmware qualificados num ambiente produtivo.

Existem diferenças significativas no que diz respeito ao formato: as unidades Enterprise estão disponíveis, por exemplo, nos formatos U.2, E1.S ou E3.S, podendo assim ser concebidas para compartimentos hot-swap, configurações de servidor compactas e sistemas de refrigeração específicos. A série Solidigm D7-PS1010, por exemplo, está disponível nos formatos U.2, E1.S e E3.S. O formato influencia, portanto, a placa traseira, a circulação de ar, a densidade de capacidade e a possibilidade de substituição futura.

O Categoria de Resistência tem de corresponder ao perfil de gravação. As elevadas taxas de transferência não substituem uma durabilidade de gravação adequada: o registo de dados, o streaming e as gravações em bases de dados geram cargas diferentes das cargas de trabalho analíticas, que consistem predominantemente em leituras. A Solidigm posiciona o D7-PS1010 como a variante de resistência padrão e o D7-PS1030 como a variante de resistência média. A capacidade, o desempenho e a carga de gravação admissível são, por isso, critérios de seleção que devem ser avaliados separadamente.

Também são importantes Proteção contra perda de energia e telemetria. A proteção em caso de falha de energia pode ajudar a gerir de forma controlada os processos de gravação já iniciados; os dados de telemetria apoiam a monitorização do estado, da temperatura e do desgaste. Dependendo do ambiente, as especificações de aquisição devem incluir também funções de encriptação, procedimentos de eliminação seguros e um suporte de firmware rastreável. No entanto, a sua disponibilidade concreta deve ser sempre verificada por modelo e configuração.

Outra característica de nível empresarial pode ser o funcionamento em porta dupla. O PM1743 da Samsung é posicionado como um SSD empresarial PCIe 5.0 com esta funcionalidade, o que pode ser relevante para determinadas arquiteturas de alta disponibilidade. Isso não significa que todos os SSDs Gen5 sejam compatíveis com duas portas, nem que essa característica seja necessária para todos os servidores. O exemplo mostra, antes de mais, por que razão as fichas técnicas e os requisitos da plataforma devem ser analisados em conjunto.

Mesmo os nomes dos produtos não substituem os testes técnicos. A série Micron 9550 apresenta, entre outros aspetos, elevados valores de desempenho e perfis de teste especificados; no entanto, não é possível deduzir daí uma adequação geral a qualquer rack. Uma escolha criteriosa combina as características da unidade específica com o objetivo de durabilidade, o conceito de manutenção, o formato, os requisitos de segurança e a arquitetura de servidor efetivamente existente.

A plataforma determina a taxa de ligação possível

Um SSD PCIe 5.0 só consegue atingir a sua velocidade de ligação máxima se todo o percurso for compatível com Gen5. Isso inclui a plataforma da CPU e a porta raiz, a placa-mãe, o riser ou o cabo, o backplane, o comutador PCIe (se for o caso), o compartimento da unidade, bem como o firmware dos componentes envolvidos. Um único componente compatível com Gen5 não é suficiente, pois a ligação funciona entre os componentes envolvidos a uma velocidade e largura de banda suportadas em comum.

O PCIe 5.0 é compatível com as gerações anteriores do PCIe. Se uma unidade Gen5 for ligada a um caminho compatível exclusivamente com Gen4, poderá, em princípio, funcionar, mas apenas com a taxa de ligação suportada por essa configuração. Nesse caso, o SSD não dispõe de uma ligação Gen5; no entanto, poderá continuar a ser utilizado numa mudança de plataforma posterior, desde que o formato, o firmware e as autorizações do servidor também sejam compatíveis.

A situação exige especial atenção Topologia PCIe. Várias unidades podem estar ligadas ao processador através de um switch ou de uma ligação de uplink partilhada. Nesse caso, a ligação individual do SSD não é necessariamente o fator limitante: sob carga paralela, a ligação de uplink partilhada pode atingir a sua capacidade máxima mais cedo. O mesmo se aplica quando aceleradores adicionais, placas de rede ou outras placas de expansão são alimentados a partir do mesmo orçamento de lanes.

O disponível Orçamento por faixa É, portanto, um parâmetro de planeamento, não apenas uma indicação na ficha técnica. Quatro SSDs x4 necessitam, no total, de 16 lanes nas suas ligações de dispositivo, mas a sua largura de banda combinada depende da forma como essas ligações estão conectadas às portas raiz e às ligações ascendentes do switch. Para obter taxas de transferência globais elevadas, uma arquitetura com várias unidades paralelas pode ser mais adequada do que a substituição de um único dispositivo.

Antes de efetuar uma compra, deve verificar se a configuração específica está de acordo com o manual do servidor e as listas de compatibilidade. São relevantes a geração suportada e a largura por slot, as restrições em caso de ocupação total, as variantes de backplane e riser, bem como as versões de firmware disponíveis. Só esta verificação permite distinguir um SSD empresarial teoricamente rápido de uma configuração que consiga efetivamente disponibilizar a sua ligação Gen5 num servidor em produção.

Ler e comparar corretamente os valores indicados pelo fabricante

Os valores apresentados nas fichas técnicas descrevem situações de medição claramente definidas, não necessariamente o desempenho de uma carga de trabalho de servidor. Para o Micron 9550, o fabricante indica até 14 000 MB/s de leitura sequencial, 10 000 MB/s de gravação e até 3,3 milhões de IOPS de leitura de 4 KiB. Estes valores respondem a questões diferentes: os MB/s avaliam transferências grandes e contínuas; os IOPS descrevem o número de pequenas operações de entrada e saída por unidade de tempo.

Os parâmetros de medição são determinantes. Os valores sequenciais referidos baseiam-se em transferências de 128 KiB com uma profundidade de fila de 32, enquanto os valores aleatórios de 4 KiB se baseiam numa profundidade de fila de 512 e num estado estacionário definido. Por isso, uma base de dados com poucas consultas simultâneas pode atingir valores de IOPS significativamente mais baixos, apesar de utilizar um SSD rápido. A combinação de leituras e gravações, a variante de capacidade e o nível de preenchimento também alteram o panorama.

A PCI-SIG refere-se aos valores de largura de banda como a largura de banda bruta efetiva da ligação. Para determinar a taxa de transferência útil do SSD, é necessário ter em conta outras componentes do protocolo e limitações de implementação. Uma comparação entre as gerações de ligações mostra, portanto, a reserva de transporte disponível, mas não substitui nem a ficha técnica da unidade em questão nem uma medição com a carga de trabalho prevista.

Para que as comparações de produtos sejam fiáveis, os fabricantes devem indicar o volume de transferência, a profundidade da fila, os padrões de acesso, o método de teste e o estado de funcionamento. O SNIA Enterprise PTS Para tal, define procedimentos que tornam as medições de desempenho dos SSDs empresariais mais compreensíveis. Não substitui uma análise de carga própria, mas ajuda a evitar que os valores de pico de diferentes perfis de teste sejam erroneamente considerados diretamente comparáveis.

Que cargas de trabalho beneficiam realmente da Gen5

No caso de pipelines de dados de IA e HPC, a Gen5 pode revelar-se útil quando grandes conjuntos de dados locais atrasam o processo de cálculo. O GPUDirect Storage permite transferências DMA diretas entre o armazenamento e a memória da GPU, sem a necessidade de um buffer de transição na memória principal da CPU. A NVIDIA descreve os pipelines de computação totalmente transferidos para a GPU como um caso de utilização vantajoso: a GPU assume o primeiro e o último acesso aos dados transferidos entre o armazenamento e a GPU. Isto descreve um perfil de benefícios, não um requisito funcional universal e rígido. A utilidade do GDS depende do percurso real dos dados, das APIs utilizadas e do gargalo de armazenamento.

No OLTP, contam-se geralmente Latências de cauda e o comportamento de gravação sob carga é mais significativo do que os picos de taxa sequencial. Uma elevada taxa de acertos na cache faz com que muitos acessos de leitura nem sequer cheguem ao SSD; as consultas limitadas pela CPU continuam a ser limitadas pela CPU, mesmo após a substituição da unidade. Por conseguinte, devem ser registadas a latência P95 e P99, a latência de commit, a espera de E/S e a profundidade da fila, em vez de apenas a taxa de transferência.

A virtualização pode beneficiar de um SSD mais rápido quando muitas máquinas virtuais geram E/S aleatória em simultâneo e as latências de armazenamento limitam a consolidação. Esta suposição é conhecida como Heurística de planeamento deve ser considerado, e não como um resultado geral do Gen5. O tempo de disponibilidade da CPU, a pressão na RAM, as ligações PCIe partilhadas e um sistema de armazenamento distribuído podem limitar a mesma carga de trabalho mais do que a unidade individual.

Também no que diz respeito à análise de dados, ETL, cópias de segurança e arquivo, a decisão de compra resulta do gargalo identificado. Grandes transferências locais paralelas podem tirar partido de uma maior largura de banda da ligação, enquanto a rede, a compressão ou o sistema de destino podem limitar o efeito nas tarefas de cópia de segurança. Por isso, compare o tempo total de execução da tarefa e a taxa de transferência de ponta a ponta, em vez de tirar conclusões diretas sobre o desempenho da aplicação com base no pico sequencial do SSD.

Os pipelines com elevada intensidade de gravação requerem, além disso, a classe de resistência adequada. A Solidigm posiciona o D7-PS1010 como a variante de resistência padrão e o D7-PS1030 como a variante de resistência média. Daí não decorre uma escolha geral do produto, mas sim uma regra para o planeamento: o desempenho, a capacidade e a carga de gravação admissível são critérios distintos e têm de corresponder ao perfil real de gravação.

Plano de avaliação do armazenamento do servidor antes da aquisição

Não inicie a avaliação com um benchmark sintético de picos, mas sim com dados iniciais provenientes de condições operacionais próximas das de produção. Para tal, defina alguns cenários de carga representativos: por exemplo, transações de base de dados, picos de arranque de máquinas virtuais ou uma execução ETL. Separe o arranque a frio de Estado estacionário; caches cheios e cargas de gravação prolongadas podem conduzir a resultados fundamentalmente diferentes. O artigo explica esse mesmo princípio metodológico Medir corretamente o desempenho após as atualizações do WordPress tomando como exemplo as cargas de alojamento dependentes da cache.

Apresente em conjunto os valores por caso de carga P95/P99: latência, latência de commit, tempo de espera de E/S, utilização da fila e taxa de acertos na cache. Uma fila longa com baixa utilização do SSD pode indicar um gargalo a um nível superior; por outro lado, uma elevada taxa de acertos na cache explica por que razão um SSD mais rápido quase não se faz sentir. Considere também as métricas da CPU, da RAM e da rede, para que o armazenamento não seja precipitadamente considerado a causa.

Antes de cada avaliação de desempenho, verifica quais os dispositivos que o sistema reconhece. Num servidor Linux com o nvme-cli instalado, serve nvme list O inventário: De acordo com a documentação do projeto, o comando procura dispositivos NVMe na árvore sysfs e apresenta os respetivos nós de dispositivo, bem como as informações associadas. Começa por descrever o inventário detetado antes de comparares os valores de desempenho.

nvme list

Um ponto de partida para o diagnóstico do PCIe são os seguintes exemplos retirados do manual mais antigo da Red Hat para a OpenStack Platform 10: LnkCap ali é definida a velocidade máxima da ligação e LnkSta avaliado para o estado atual da ligação. Não se trata de uma autorização atual da plataforma Gen5. Substitui o endereço de exemplo pelo endereço PCI do teu dispositivo e compara a sintaxe, a saída completa e o significado com a documentação do pciutils instalada localmente e com o manual do servidor.

lspci -s 81:00.0 -vv | grep LnkCap
lspci -s 81:00.0 -vv | grep LnkSta

No que diz respeito aos dados de saúde, a documentação do nvme-cli-Master citada refere que smart-log como um alias desatualizado de log smart; o alias destina-se a scripts mais antigos, enquanto os scripts mais recentes devem utilizar a nova forma. No entanto, «Master» descreve o estado de desenvolvimento e não, automaticamente, o conjunto de comandos de uma versão estável da distribuição. Por isso, verifica primeiro a versão do pacote que tens instalado e a respetiva ajuda ou página de manual. Utiliza abaixo exclusivamente a forma de comando aí documentada e substitui o caminho de exemplo do dispositivo de acordo com o teu sistema. Não se deduz daqui um limite de versão geral.

# Nur die lokal dokumentierte Befehlsform verwenden:
nvme log smart /dev/nvme0

# Alternative, wenn lokal dokumentiert:
nvme smart-log /dev/nvme0

Um benchmark destrutivo geral não é adequado para sistemas produtivos: pode sobrescrever dados, afetar as caches ou gerar um resultado não representativo devido a uma profundidade de fila atípica. Em vez disso, compare os mesmos cenários de utilização antes e depois de uma substituição de hardware planeada. Registe a versão do firmware, a capacidade, o nível de ocupação, a temperatura e a topologia, para que as divergências possam ser rastreadas posteriormente.

Planear a refrigeração, a resistência e o desempenho contínuo

Os valores máximos indicados nas fichas técnicas referem-se a perfis de teste definidos, não necessariamente ao funcionamento contínuo de um servidor em utilização. À medida que a taxa de ocupação aumenta, em operações mistas de gravação e durante a Recolha de lixo Um SSD tem de reorganizar os dados. A gestão da memória NAND e o padrão de gravação específico podem, por isso, alterar a taxa de transferência e, em particular, a latência, em comparação com testes curtos e sem dados. Os dados só se tornam comparáveis quando se tem em conta o perfil de funcionamento e o estado de equilíbrio.

A temperatura também faz parte do planeamento do desempenho. A família D7-PS1010 inclui os formatos U.2, E1.S e E3.S; a Solidigm distingue, no caso do E1.S, as versões com refrigeração a ar e uma variante para refrigeração líquida direta com placa de refrigeração unilateral. Por isso, o E1.S por si só não implica necessariamente refrigeração líquida. Verifique a versão e a altura de montagem especificamente encomendadas, bem como a sua compatibilidade com o servidor, o slot e, se for o caso, com a placa de refrigeração. No caso dos modelos refrigerados a ar, o consumo de energia aprovado, o fluxo de ar, os espaçamentos entre slots e a temperatura de entrada devem ser incluídos na verificação da plataforma.

O Categoria de Resistência deve ser selecionada separadamente da geração da interface. Para a ingestão contínua de registos ou caches de gravação, uma versão de resistência média pode ser mais adequada do que um modelo concebido para resistência padrão, mesmo que ambos tenham velocidades de leitura semelhantes. A capacidade não influencia apenas os custos e o espaço útil, mas também pode alterar a resistência e o perfil de desempenho, dependendo do modelo.

Identificar sistematicamente os erros típicos da 5.ª geração

Não comece a procura de avarias substituindo o SSD, mas sim a partir do link indicado. Uma velocidade mais baixa é, numa primeira fase, um resultado do diagnóstico e ainda não constitui uma causa clara. Compare os dados explicados no plano de medição LnkSta e LnkCap Tendo em conta a documentação local da ferramenta; o guia mais antigo do OpenStack aqui citado apresenta esta verificação básica, mas não substitui a documentação atual do servidor. Verifique em seguida a ocupação dos slots, o riser, o backplane, o caminho do switch e a versão do firmware, comparando-os com as especificações da plataforma.

Se o link estiver correto, segue-se o seguinte Comportamento da fila da aplicação. Um baixo número de IOPS com pouca profundidade de fila não indica necessariamente uma falha do SSD; da mesma forma, um uplink partilhado sobrecarregado pode limitar o desempenho de várias unidades. Por isso, verifique o tempo de espera de E/S, a utilização da fila, a proporção de leitura/gravação e os percentis de latência em simultâneo com as métricas da CPU, da memória e da rede. Só a correlação revela se o armazenamento se encontra no caminho crítico.

No caso de percursos de dados próximos da GPU, um percurso PCIe teoricamente direto não é suficiente. O GPUDirect Storage requer uma configuração adequada de hardware e software; o ACS e o IOMMU podem, dependendo da topologia, encaminhar dados através das portas raiz da CPU. As alterações a estas funcionalidades afetam o isolamento, a segurança e a virtualização. Por conseguinte, só devem ser efetuadas após uma verificação da arquitetura e uma avaliação documentada dos riscos, e não como um simples «botão» de desempenho genérico.

Se o desempenho sob carga continuar instável, verifique, em seguida, a temperatura, os dados de integridade e a carga da aplicação. Escolha o comando SMART com base na versão do pacote instalado e na respetiva página de manual. A documentação principal citada recomenda nvme log smart e conduz nvme smart-log como um alias obsoleto; não reflete o âmbito de todas as distribuições estáveis. Compare separadamente o arranque a frio e o estado estacionário e registe as condições de medição, em vez de concluir que existe um defeito com base num único valor atípico.

Quando comprar a Gen5 e quando ficar com a Gen4

A aquisição de um SSD PCIe 5.0 justifica-se quando os dados de medição comprovam a existência de um estrangulamento na ligação de armazenamento ou no host e toda a plataforma suporta efetivamente a Gen5. Os indícios relevantes incluem uma utilização elevada e recorrente da fila de espera, um débito insuficiente ou uma latência problemática sob uma carga representativa. O PCIe 5.0 duplica a taxa de bits suportada por pista em comparação com o PCIe 4.0; no entanto, isso não implica automaticamente uma aceleração da aplicação.

Continuar a utilizar a Gen4 é adequado se as unidades existentes não estiverem a ser utilizadas na sua capacidade máxima, se a plataforma do servidor apenas suportar a Gen4 ou se a CPU, a memória RAM e a rede limitarem o serviço. Mesmo com baixo paralelismo ou elevada taxa de acertos na cache, a margem na aplicação pode permanecer reduzida. O orçamento poupado pode então, se necessário, ser utilizado de forma mais eficaz para aumentar a capacidade, a redundância, a memória ou para eliminar o estrangulamento identificado.

Um número menor de unidades Gen5 não é, por si só, melhor do que várias unidades Gen4. Para obter taxas globais elevadas, o que conta é o número de caminhos paralelos, o Orçamento por faixa e as ligações ascendentes de switches ou portas raiz. No que diz respeito aos caminhos de armazenamento local próximos da GPU, a NVIDIA explica que podem ser necessários vários dispositivos NVMe x4 e transferências paralelas para tirar partido de uma ligação PCIe x16. Trata-se de uma observação sobre a topologia GDS e não de uma regra geral relativa ao número de unidades para servidores.

O NVMe over Fabrics, ou armazenamento desagregado, é, por outro lado, uma opção quando se pretende partilhar a capacidade de forma flexível entre os anfitriões. Nesse caso, as placas de rede (NICs), os comutadores de rede, os percursos de protocolo e o modelo operacional determinam adicionalmente o desempenho alcançável. Os SSDs NVMe locais dão prioridade a percursos de dados próximos do anfitrião; os sistemas centralizados podem permitir a partilha e o dimensionamento independente. Ambas as abordagens devem ser ponderadas em função dos requisitos de latência, disponibilidade e operação.

Antes da aquisição, a carga de trabalho e a janela de medição devem estar definidas, a velocidade de ligação e a topologia devem ser verificadas e a capacidade, a autonomia, o arrefecimento, o suporte de firmware e as funções de proteção devem ser comparados de forma vinculativa. Além disso, a alimentação elétrica, o ambiente do rack e as opções de escalabilidade devem ser tidos em conta na decisão relativa à infraestrutura. O artigo explica os critérios concretos para tal Critérios para a escolha do centro de dados adequado. A decisão de compra baseia-se, assim, no pico de procura comprovado, em vez de num único valor máximo.