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Das sollten Sie über Leistungs-Benchmarks von SSD wissen
Bei der Wahl einer SSD können sich Anwender anhand von Leistungsmessungen – Benchmarks – orientieren. Wir erklären die wichtigsten Faktoren und ihre Bedeutung für die Performance.
Es ist keine Seltenheit, wenn ein Anbieter behauptet, sein Solid-State-Speichersystem böte eine Leistung von 1 Million IOPS. Dennoch kann es für einen Benutzer schwierig sein, zu verstehen, was diese Zahlen bedeuten und wie sich die veröffentlichten SSD-Leistungsbenchmarks auf die Leistungsprobleme von Unternehmensspeichern beziehen.
Die Anbieter von Storage-Systemen unternehmen große Anstrengungen, um die hohe Leistung ihrer Produkte zu demonstrieren und den Speichermanagern zu beweisen, dass ihre Produkte große Mengen an Rechenzentrumsaktivitäten bewältigen können. Solid-State-Anbieter begannen, SSD-Leistungsbenchmarks zu veröffentlichen, um zu demonstrieren, wie ein 1U- oder 2U-Solid-State-Speichergerät ein großes, mit Tausenden von Laufwerken ausgestattetes Speichersystem der Unternehmensklasse übertreffen kann. Die Hersteller wollten zudem verdeutlichen, dass sie nicht nur 1 Million IOPS in einer so kleinen, effizienten Grundfläche erreichen können, sondern dies auch zu einem Bruchteil der Kosten eines High-End-Speicher-Arrays.
Doch die Ausgangslage ist alles andere als gleich: High-End-Speichersysteme verfügen beispielsweise über Data-Protection- und Datenverwaltungsfunktionen, mit denen andere Solid-State-Speicher nicht mithalten können. Die Leistung in der Praxis hängt von vielen Faktoren ab. Clients, Hosts, Netzwerkverbindungen, Speicher-Controller und Hauptplatinen wirken sich auf die Geschwindigkeit aus, da die Laufwerke in Speicher-Arrays und Servern laufen, die häufig vernetzt sind.
Hersteller, die Controller-basierten Speicher anbieten, haben ihre Speicher-Controller überarbeitet, um die höhere Leistungskapazität zu bewältigen, die die heutigen SSDs bieten. Das Hinzufügen von dynamischem Tiering hat es der Solid-State-Speicherebene ermöglicht, hochaktive Daten automatisch zu bedienen. Wenn sie richtig konfiguriert und abgestimmt ist, kann dies die Leistung einer Arbeitslast erheblich steigern. Daten, auf die weniger häufig zugegriffen wird, werden weiterhin auf rotierenden Medien gespeichert, um die Kosten zu minimieren.
Ein Verständnis der SSD-Leistung - und wie sie gemessen wird - gibt Aufschluss darüber, wie die Technologie die Leistung von unternehmenskritischen Anwendungen steigern und eine wichtige Rolle in der IT-Infrastruktur spielen kann.
Benchmarks versus Lastgeneratoren
Um SSD-Leistungsbenchmarks zu verstehen, ist es zunächst wichtig, den Unterschied zwischen einem Benchmark und einem Lastgenerator (Load Generator) zu kennen. Oft werden Lastgeneratoren mit Benchmarks verwechselt, weil Administratoren Lastgeneratoren zur Erstellung eines Benchmarks verwenden können. Es gibt jedoch deutliche Unterschiede zwischen den beiden.
Ein Benchmark ist ein fester Workload mit Berichtsregeln und einer festen Messmethodik, so dass die Merkmale nicht geändert werden können. Industriestandard-Benchmarks unterliegen weiteren Beschränkungen und werden häufig von einem unabhängigen Gutachter geprüft, der die Übereinstimmung der Ergebnisse sicherstellt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Benutzer einen direkten Vergleich zwischen ähnlichen Produkten erhalten. Derzeit gibt es zwei Standardgremien, die Industriestandard-Benchmarks für Speicher anbieten: das Storage Performance Council (SPC) und die Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC). SPC misst die Blockspeicherleistung, SPEC die Dateispeicherleistung.
Ein Lastgenerator simuliert eine gewünschte Last zur Leistungscharakterisierung und hilft dabei, Leistungsprobleme in einem System oder Produkt aufzudecken. Diese Generatoren verfügen über „Knöpfe“ zur Einstellung der gewünschten Workload-Eigenschaften. Leistungsexperten und Prüforganisationen verwenden sie, um die festgelegten Spezifikationen eines Produkts zu validieren. Die Ergebnisse können oft nicht mit denen anderer Hersteller verglichen werden, da es keine Garantie dafür gibt, dass die Testbedingungen bei der Messung des zu testenden Systems gleich waren.
Es ist wichtig, sich dieser Unterschiede bewusst zu sein, da die Hersteller ihre IOPS-Ergebnisse wahrscheinlich unter unterschiedlichen Bedingungen messen.
Arten von SSD-Benchmarks
Übliche SSD-Benchmarks messen Folgendes:
- Ein Akronym, das für Eingabe-/Ausgabeoperationen pro Sekunde steht. Die Metrik misst, wie viele Lese- und Schreibvorgänge eine SSD pro Sekunde bewältigen kann. Je höher die IOPS, desto besser.
- Die Datenübertragungsgeschwindigkeit einer SSD, gemessen in Bytes pro Sekunde. Je höher der Durchsatz, desto besser, obwohl der Durchsatz von Elementen wie der Dateigröße und der Tatsache beeinflusst wird, ob die Lese- und Schreibvorgänge zufällig (random) oder sequentiell sind.
- Die Latenz zeigt an, wie lange es dauert, einen I/O-Vorgang zu verarbeiten. Dieser Prozess entspricht der SSD-Reaktionszeit und wird in Mikrosekunden oder Millisekunden gemessen. Je niedriger die Latenzzeit, desto besser.
Auch der Preis kann ein Faktor beim Kauf von SSDs sein. Zu den Kostenüberlegungen gehören Dollar pro IOPS, Dollar pro Watt und Dollar pro Rack-Einheit. Die veröffentlichten SPC-Benchmark-Ergebnisse enthalten Angaben zum Preis pro Leistung.
Faktoren, die die SSD-Reaktionszeit beeinflussen
Solid-State-Speicher haben einzigartige Eigenschaften. Da SSDs keine beweglichen Teile haben, gelten HDD-Metriken, wie Rotationslatenz und Suchzeiten, nicht für SSDs. Da diese Latenzzeiten wegfallen, werden SSD-Reaktionszeiten in der Regel in Mikrosekunden gemessen, im Vergleich zu Millisekunden bei HDDs. Es ist wichtig, dass die Nutzer verstehen, wie diese Messungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die gemeldeten Ergebnisse ein überprüfbares und nachhaltiges Leistungsniveau darstellen. Im Durchschnitt sind die SSD-Antwortzeiten bei zufälligen Schreibvorgängen zehnmal schneller als die HDD-Antwortzeiten.
Single-Level Cell (SLC)-SSDs haben schnellere Zugriffszeiten als Multi-Level Cell (MLC)-SSDs. DRAM-basierte Solid-State-Speicher gelten derzeit als die schnellsten, mit durchschnittlichen Reaktionszeiten von zehn Mikrosekunden anstelle der durchschnittlichen 100 Mikrosekunden anderer SSDs. NAND-Speicher haben sich von SLC über MLC zu Triple-Level Cell und Quad-Level Cell (QLC) weiterentwickelt. Mit jeder Erhöhung der Bitdichte pro Zelle sank der Gesamtpreis dieser SSDs, aber auch die Leistung und Ausdauer. SLC-SSDs haben die besten Zugriffszeiten und QLC die schlechtesten.
Zwei SSD-Laufwerke mit ähnlichen Leistungswerten werden im Rechenzentrum nicht immer die gleiche Leistung erbringen. Die Schnittstelle eines Laufwerks, die Bits pro Zelle, die Software und das Speicherprotokoll wirken sich ebenfalls auf die Gesamtleistung des Speichersystems oder Servers aus.
NVMe ist die schnellste Schnittstelle für SSDs, da NVMe den PCIe-Bus anstelle des langsameren SATA-Schnittstellenbusses verwendet. PCIe 4 kann 32 Lanes zur Datenübertragung nutzen, im Vergleich zu vier Lanes bei SATA-SSDs. NVMe-SSDs wurden entwickelt, um die Flash-Latenzzeiten und die Reaktionszeit von SSDs zu reduzieren.
Fibre Channel ist immer noch das leistungsstärkste Protokoll, aber SAS ist nicht weit dahinter. Die meisten SSD-Produkte, die auf iSCSI und SATA basieren, erreichen keine Million an IOPS, es sei denn, sie verfügen über andere Caching-Funktionen zur Unterstützung der Leistung.
Die Position des Solid-State-Speichers im I/O-Pfad kann ebenfalls ein Faktor für die Erzielung eines Ergebnisses von einer Million IOPS sein. SSD-Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich sind leichter zu erreichen, wenn sich das Laufwerk näher am Host befindet. Viele Anbieter haben sich diese Tatsache mit PCIe-SSDs und Flash-Karten zunutze gemacht, die wie interne HDDs an den Host angeschlossen werden.
So messen Sie die Leistung von SSDs
Es gibt vier essenzielle Schritte, um eine dauerhafte Solid-State-Leistung nachzuweisen:
- Schaffen Sie einen gemeinsamen Ausgangspunkt. Solid-State-Speicher müssen sich in einem bekannten, wiederholbaren Zustand befinden. Der gängige Ausgangspunkt ist eine neue SSD, die noch nie benutzt wurde, oder die Durchführung eines Low-Level-Formats auf einer SSD, um den Inhalt zu löschen und den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen.
- Solid-State-Speicher müssen in einen „gebrauchten“ Zustand versetzt werden. Bei den ersten Messungen zeigt Solid-State eine künstlich hohe Leistung, die nur vorübergehend und nicht dauerhaft ist. Diese Zahlen sollten nicht als Beweis für die tatsächliche dauerhafte Leistung des SSD-Storage angegeben werden. Wenn beispielsweise zufällige 4-KB-Schreibzugriffe auf den Speicher für etwa 90 Minuten durchgeführt werden, sollte der Speicher in einen „gebrauchten“ Zustand versetzt werden. Je nach Hersteller können sich die Übertragungsgröße oder die für die Konditionierung benötigte Zeitspanne ändern.
- Steady State (fester Zustand). Das Leistungsniveau pendelt sich auf eine nachhaltige Rate ein; dies ist das Leistungsniveau, das dokumentiert werden sollte.
- Der Umfang der Berichterstattung ist wichtig. Wenn kein Standard-Benchmark verwendet wurde, der eine vollständige Offenlegung erfordert, ist ein Mindestmaß an Informationen erforderlich. Die Art des I/O ist wichtig zu wissen. Die meisten Ergebnisse werden als 100 Prozent zufällige (random) Lesevorgänge angegeben, da zufällige Schreibvorgänge die Leistung beeinträchtigen. Bei Solid-State-Speichern sind die meisten Arbeitslasten mit zufälligen Schreibvorgängen nicht besser als die Leistung von HDD-Systemen. In einigen Ergebnisberichten wird auch die Anzahl der ausstehenden I/Os angegeben, was in Verbindung mit der Angabe der durchschnittlichen Antwortzeit eine hilfreiche Information ist.
Selbst wenn Sie diese Schritte zur Messung der Leistung von Solid-State-Speichern befolgt haben, ist es immer noch schwierig, die Ergebnisse ohne Vergleichskriterien für Fair-Use-Regeln zu vergleichen. Weitere Informationen über diese vier Schritte finden Sie in der Solid State Storage Initiative der Storage Networking Industry Association.
SSDs im Vergleich zu anderen Speichertypen
SSDs sind wesentlich schneller und teurer als Speichermedien wie Bänder und HDDs. Obwohl SSDs Festplatten für die meisten Leistungsanforderungen von Unternehmen ersetzt haben, gibt es immer noch schnellere Speichertechnologien. DRAM bietet die höchste Leistung und ist auch am teuersten. Storage Class Memory (SCM), einschließlich Intel Optane-Laufwerke, liegen in Bezug auf Leistung und Preis zwischen NVMe-SSDs und DRAM.
SCM kann drei- bis fünfmal schneller sein als NVMe-SSDs und hat nicht die gleichen Verschleißprobleme wie NAND-Flash. Allerdings kann ein SCM-Laufwerk fünfmal so viel kosten wie ein vergleichbares NVMe-Laufwerk. Der Preis macht SCM hauptsächlich für speicherintensive Prozesse wie KI und maschinelles Lernen interessant. Obwohl NVMe-SSDs als Übergang zu SCM angesehen werden, sind sie heute in Unternehmen noch weitaus häufiger im Einsatz.
