Что такое ssd-кеш

Обновлено: 04.07.2024

Кэширование SSD – это технология вычислений и хранения, которая сохраняет часто используемые и последние данные в быстром кэше SSD. Это решает проблемы ввода-вывода, связанные с жесткими дисками, за счет увеличения производительности операций ввода-вывода в секунду и уменьшения задержки, значительно сокращая время загрузки и выполнения. Кэширование работает как при чтении, так и при записи, и особенно полезно для приложений с интенсивным чтением.

Кэширование не является чем-то новым для жестких дисков. Операционные системы, такие как Windows и Linux, поставляются с собственным программным обеспечением для кэширования. Программное обеспечение для кэширования массива жестких дисков существует и повышает общую производительность жестких дисков, но его конфигурация является дорогостоящей и сложной.

Как работает кэширование?

Кэширование SSD также называется кэшированием флэш-памяти. Хотя флэш-память и твердотельный накопитель — это не одно и то же, большинство твердотельных накопителей представляют собой флэш-память NAND. В этой архитектуре программа кэширования направляет данные, которые не соответствуют требованиям к кэшированию, на жесткие диски и временно сохраняет данные ввода-вывода с большим объемом данных в микросхемы флэш-памяти NAND.

Это временное хранилище или кеш ускоряет выполнение запросов на чтение и запись, сохраняя копию данных ближе к процессору. Кэши могут состоять из всего SSD или части ячеек памяти внутри SSD. Многие твердотельные накопители уже поставляются с кэширующей областью хранения, которая может быть NAND и/или DRAM.

Кэширование SSD повышает производительность, сохраняя необходимые данные, чтобы они были доступны быстрее.

Типы кэширования SSD

Чтобы полностью понять, как работает SSD-кэширование, рассмотрим различные типы SSD-кэширования. Эти различные типы кэширования SSD включают кэширование чтения, сквозную запись, обратную запись и обратную запись.

Кэширование чтения SSD: сохраняет копии данных в быстрых ячейках памяти SSD; обычно NAND и/или DRAM. Программное обеспечение кэширования использует кэшированные данные чтения для заполнения кэша. В кэшах чтения от разных производителей могут использоваться варианты алгоритмов, например объединение ячеек памяти DRAM и NAND на твердотельных накопителях для еще более высокой производительности кэширования.

Запись типов кэширования SSD:

- Кэширование SSD со сквозной записью одновременно записывает данные в кэш и в основное хранилище. Кэш обеспечивает более быстрое извлечение данных, а запись в основное хранилище безопасно сохраняет данные, даже если системный сбой влияет на кеш. Кэширование SSD со сквозной записью не требует дополнительной защиты кэшированных данных, но увеличивает задержку записи.
- - Кэширование SSD с обратной записью подтверждает, что блок записывается в кэш SSD и данные доступны для использования перед записью блока в основное хранилище. Этот метод имеет меньшую задержку, чем сквозная запись, но если кэш теряет данные до того, как данные будут записаны в основное хранилище, эти данные будут потеряны. Типичными решениями по защите данных для кэширования SSD с обратной записью являются избыточные SSD или зеркалирование.
  - - При кэшировании SSD с обратной записью данные сначала записываются в основное хранилище, а не в кэш. Это дает кэшу SSD время для анализа запросов данных и определения наиболее часто и недавно используемых данных. Кэш SSD эффективно кэширует запросы данных с высоким приоритетом, не переполняя кеш редко используемыми данными.
    Оптимизация производительности вашего диска
    
    Кэширование SSD повышает производительность хранилища, обеспечивая немедленную доступность часто используемых данных. Когда хост отправляет запрос данных, программное обеспечение кэширования сначала анализирует кэши SSD, чтобы определить, находятся ли там уже данные.
    
    В противном случае программа кэширования будет использовать алгоритмы для прогнозирования моделей доступа к данным. Алгоритмы определяют наименее и наиболее часто используемые данные, а также наименее и наиболее недавний доступ к данным, что позволяет размещать копии высокоприоритетных активных данных в быстрой кэш-памяти.
    
    Не каждое приложение улучшается благодаря SSD-кэшированию. Любое приложение, выполняющее в основном последовательные операции чтения и записи, например потоковое видео, не нуждается в кэшировании произвольного ввода-вывода. Кэширование SSD не дает данных, для которых не предусмотрены шаблоны прогнозирования, например случайное чтение данных, поскольку нет шаблонов данных, которые можно было бы надежно прогнозировать.
    
    Кэширование SSD
    
    Кэширование SSD может происходить на устройствах любого типа, использующих SSD:
    - Персональные компьютеры (операционные системы Windows и Linux обеспечивают базовое кэширование)
    - Техника
    - Внешние массивы хранения
    - Контроллеры твердотельных накопителей
    - Серверы с гибридным хранилищем с прямым подключением, но помните, что серверные кэши не ограничиваются твердотельными накопителями; eMMC — это встроенная флэш-память, поддерживающая кэширование.
    Сценарий использования SSD-кэширования: виртуализированная инфраструктура
    
    Кэширование SSD может значительно повысить производительность и сократить задержки для корпоративных приложений и больших виртуализированных сетей.
    
    Например, кэширование SSD повышает производительность операций ввода-вывода, а виртуализированные среды генерируют большие объемы случайных операций ввода-вывода. Это связано с тем, что виртуализированные среды объединяют множество различных серверных функций и приложений. Сюда входят VDI с сотнями и тысячами виртуальных рабочих столов или виртуализированные вычислительные сети с десятками различных серверов приложений и сотнями динамических виртуальных машин.
    
    Все эти виртуализированные объекты используют одни и те же базовые носители данных — в основном жесткие диски, поскольку замена массивов жестких дисков массивами на флэш-дисках для поддержки виртуализированных сред экономически неэффективна. AFA поддерживают очень большое количество операций ввода-вывода, но даже более крупные виртуализированные среды не генерируют автоматически столько операций ввода-вывода, сколько AFA может поддерживать ни сейчас, ни в будущем.
    
    Эта архитектура не оправдывает высокую стоимость массива all-flash. Но в жестких дисках или гибридных массивах, лежащих в основе виртуализированной сети, кэширование SSD позволяет жестким дискам поддерживать высокие требования к вводу-выводу даже для интенсивных виртуализированных рабочих нагрузок.
    
    Твердотельные накопители на базе сервера, в отличие от сетевых хранилищ на основе массивов, также работают в виртуализированных сетях. В этих случаях хост-сервер использует кэши SSD в своем хранилище с прямым подключением для обслуживания нескольких виртуальных машин. Поскольку SSD-кэш физически расположен близко к месту ввода-вывода, задержка снижается еще больше. Недостатком является то, что сервер выходит из строя, кэшированные данные могут быть недоступны и, возможно, даже невосстановимы в зависимости от типа кэша записи. Однако если ИТ-специалисты создают резервные копии/моментальные снимки/реплицируют кэшированные данные и быстро восстанавливают их на другом сервере, это не является большим недостатком.
    
    Лучшее программное обеспечение для кэширования SSD
    
    "Лучший" — это сложное понятие в кэшировании SSD, поскольку существует множество технологий, которые доставляют команды программного обеспечения кэширования. К ним относятся VMWare и Hyper-V, специальные приложения, стороннее программное обеспечение, Windows и Linux, контроллеры хранения SSD и массивы хранения. Например:
    
    Функция SSD-кэша — это решение на основе контроллера, которое кэширует наиболее часто используемые данные («горячие» данные) на твердотельные накопители (SSD) с меньшей задержкой для динамического повышения производительности системы. Кэш SSD используется исключительно для чтения хоста.
    
    Кэш SSD и основной кеш
    
    Кэш SSD – это дополнительный кэш, используемый вместе с основным кэшем в динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) контроллера.
    
    Кэш SSD работает иначе, чем основной кеш:
    В первичном кэше данные сохраняются в DRAM после чтения хостом.
    
    В SSD-кэше данные копируются с томов и хранятся на двух внутренних томах RAID (по одному на контроллер), которые автоматически создаются при создании SSD-кэша.
    
    Внутренние тома RAID используются для обработки внутреннего кэша. Эти тома недоступны и не отображаются в пользовательском интерфейсе. Однако эти два тома учитываются в общем количестве томов, разрешенных в массиве хранения.
    
    Как используется SSD-кэш
    
    Интеллектуальное кэширование помещает данные на диск с меньшей задержкой, поэтому ответы на будущие запросы этих данных могут происходить намного быстрее. Если программа запрашивает данные, которые находятся в кэше (это называется «попадание в кэш»), то эту транзакцию может обслуживать диск с меньшей задержкой. В противном случае происходит «промах кэша», и доступ к данным должен осуществляться с исходного, более медленного диска. Чем больше попаданий в кэш, тем выше общая производительность.
    
    Когда хост-программа обращается к дискам массива хранения, данные сохраняются в SSD-кэше. Когда хост-программа снова обращается к тем же данным, они считываются из SSD-кэша, а не с жестких дисков. Часто используемые данные хранятся в SSD-кэше. Доступ к жестким дискам осуществляется только в том случае, если данные не могут быть прочитаны из SSD-кэша.
    
    Кэш SSD используется только тогда, когда выгодно поместить данные в кеш для повышения общей производительности системы.
    
    Когда центральному процессору необходимо обработать прочитанные данные, он выполняет следующие действия:
    1. Проверьте кэш DRAM.
    2. Если он не найден в кеше DRAM, проверьте SSD-кэш.
    3. Если он не найден в SSD-кэше, возьмите его с жесткого диска. Если данные считаются целесообразными для кэширования, скопируйте их в SSD-кэш.
    Улучшенная производительность
    
    Копирование наиболее часто используемых данных (горячих точек) в SSD-кэш позволяет повысить эффективность работы жесткого диска, сократить задержки и повысить скорость чтения и записи. Использование высокопроизводительных твердотельных накопителей для кэширования данных с томов жестких дисков повышает производительность операций ввода-вывода и время отклика.
    
    Для перемещения данных в SSD-кэш и из него используются простые механизмы ввода-вывода тома. После кэширования данных и их сохранения на твердотельных накопителях последующие чтения этих данных выполняются в кэше твердотельного накопителя, что устраняет необходимость доступа к тому жесткого диска.
    
    Кэш SSD и функция защиты диска
    
    Чтобы использовать SSD-кэш на томе, который также использует Drive Security (с включенной защитой), возможности Drive Security тома и SSD-кэша должны совпадать. Если они не совпадают, том не будет защищен.
    
    Внедрение SSD-кэша
    
    Чтобы внедрить SSD-кэш, выполните следующие действия:
    1. Создайте кэш SSD.
    2. Свяжите SSD-кэш с томами, для которых вы хотите реализовать кэширование чтения SSD.
    Примечание. Любой том, предназначенный для использования SSD-кэша контроллера, не подходит для автоматического переноса балансировки нагрузки.
    
    Авторские права © NetApp, Inc., 1994-2021. Все права защищены.
    Номер детали: 215-15130_2021-11_en-us
    Ноябрь 2021 г.
    
    < /p>
    
    Есть ли в вашем компьютере или ноутбуке SSD (твердотельный накопитель)? Вы ищете способы улучшить производительность вашего устройства? Если ваш ответ да, то вам следует узнать все о SSD-кэше.
    
    Что такое SSD-кэш?
    
    Кэш SSD, или кэширование SSD, был разработан в начале 2010-х годов как система управления данными. Он использует меньший SSD-накопитель в качестве кэш-памяти для большего жесткого диска.
    
    Кэш — это часть памяти (аппаратной или программной), используемая в качестве хранилища для быстрого и легкого доступа к данным. В ЦП он обычно включает флэш-память, доступ к которой можно получить быстрее, чем к стандартной оперативной памяти. Ваш браузер также имеет кеш, в котором хранятся аспекты часто посещаемых веб-сайтов, чтобы они загружались быстрее по сравнению с сайтами, где все данные необходимо получать с сервера.
    
    Поскольку данные извлекаются за меньшее время, вы заметите повышение производительности вашего компьютера, особенно когда речь идет о задачах, зависящих от памяти. При использовании SSD-кэша вы получаете более высокую скорость и лучшее время отклика SSD по сравнению с более медленным традиционным жестким диском.
    
    На самом деле, SSD может быть в 10 раз быстрее, чем HDD, когда речь идет о конкретных задачах, таких как чтение небольших дисков. Это также можно объяснить меньшим размером (например, 40 ГБ) по сравнению с 1 ТБ на жестком диске.
    
    Что вам нужно для кэширования SSD?
    
    Если вас не устраивает производительность вашего компьютера и вы хотите попробовать SSD-кэш, вам потребуется следующее:
    - Ваша системная плата должна поддерживать кэширование SSD или, по крайней мере, набор микросхем, поддерживающий технологию Intel Smart Response.
    - Жесткий диск
    - Твердотельный накопитель (достаточно 32 или 64 ГБ)
    - Программное обеспечение для кэширования SSD, которое можно приобрести у производителя материнской платы или у Intel.
    Вам также потребуется настроить контроллер SATA для перехода в режим RAID. Если вы не знаете, как это сделать, вам нужно посмотреть руководство по материнской плате или компьютеру.
    
    Как настроить Intel Smart Response
    
    У Intel есть программное обеспечение, известное как Rapid Storage Technology (Intel RST), которое используется в производимых ими твердотельных накопителях. Он также совместим с технологией Smart Response. При установке нового твердотельного накопителя вам потребуется вставить диск Intel RST в привод CD/DVD и следовать инструкциям.
    <р>1. Откройте Intel RST и нажмите «Ускорить» в верхней части окна.
    <р>2. Нажмите на ссылку «Включить ускорение».
    <р>3. Выберите новый SSD и укажите, сколько памяти вы хотите использовать для кэширования. Вам также нужно выбрать жесткий диск, который вы хотите ускорить. Ниже вы можете решить, какой режим ускорения вам нужен (рекомендуется «расширенный режим»). После выбора нажмите «ОК».
    <р>4. Приложение завершит работу по настройке SSD для кэширования. Вскоре после этого вы заметите прирост скорости!
    
    Стоит ли?
    
    Знаете ли вы, что технология жестких дисков мало чем отличается от неуклюжего механического оборудования, разработанного в 70-х годах? Таким образом, легко представить, насколько он медленнее по сравнению с более новым SSD. SSD может загружать программы намного быстрее, потому что он не имеет движущихся частей и имеет очень быструю флэш-память. В то время как ваш жесткий диск по-прежнему необходим для вашего рабочего стола, твердотельный накопитель сокращает время загрузки и загрузки.
    
    С точки зрения цены твердотельный накопитель, естественно, дороже жесткого диска с таким же объемом памяти.Но хотя твердотельный накопитель емкостью 1 ТБ является необходимостью, все, что вам нужно, — это твердотельный накопитель емкостью 32 или 64 ГБ, чтобы повысить скорость и производительность вашего компьютера. Меньший SSD вроде этого не будет стоить вам слишком дорого.
    
    Пока ваш компьютер работает нормально (это означает, что на нем не установлено другое оборудование, которое значительно замедлит его работу, и на нем нет вирусов или других инфекций), вы заметите значительное изменение его скорости. Обратите внимание, однако, что разница не заметна, когда вы используете меньший SSD для кэширования большего SSD. Однако улучшение будет огромным, если ваш компьютер работает на жестком диске.
    
    Каковы ограничения SSD-кэширования?
    
    Одним из первых ограничений SSD-кэша является сложность его настройки. Это определенно не для тех, у кого ограниченный технический опыт. Вам нужны правильные драйверы, плюс вам нужно настроить BIOS и запустить его как настройку RAID. Затем вам нужно установить Windows и драйверы Rapid Storage Technology, а также выполнить другие задачи. Это сложнее, чем просто использовать твердотельный накопитель большей емкости, а затем установить Windows.
    
    Преимущества SSD-кэширования очевидны, когда ваша система находится в «чистом» состоянии, то есть после включения или перезагрузки Windows. Это также наблюдается, когда приложение открывается после перезагрузки или выключения компьютера. Это связано с тем, что память обычно сохраняется в таком порядке: кэш ЦП, ОЗУ, кэш SSD и, наконец, жесткий диск. Когда вы перезагружаете компьютер, кэш ЦП и ОЗУ очищаются, а данные извлекаются из кэша SSD. В противном случае большая часть часто используемых данных хранится в оперативной памяти системы.
    
    При использовании Intel SRT вы можете заметить некоторые ограничения. Точные данные недоступны (они держат в секрете), но, похоже, существует ограничение на размер данных, которые вы можете кэшировать. Помимо этого неизвестного номера, система будет использовать гораздо более медленный SDD для доступа к данным. Это означает, что при использовании больших медиафайлов, таких как высококачественный звук или видео, вы можете не воспользоваться преимуществами SSD-кэширования.
    
    Заключительные слова
    
    Стоит ли выбрать SSD-кэш или выбрать SSD большего размера? Популярность и снижение цен на твердотельные накопители сделали кэширование на твердотельных накопителях менее привлекательным вариантом. Вы можете выбрать SSD большего размера или другие подобные варианты (гибридные SSD и SSHD). Хотя SSHD по сути является обычным жестким диском, он содержит флэш-память (называемую NAND). И твердотельный накопитель большего размера, и SSHD будут выполнять все задачи на одном диске.
    
    Если проблема заключается в деньгах и вы можете позволить себе лишь небольшую модернизацию твердотельного накопителя меньшего размера, кэш-память SSD – лучший способ повысить производительность компьютера без больших затрат.
    
    Идет постоянная борьба между жесткими и твердотельными дисками, у каждого из которых есть свои плюсы и минусы. Жесткий диск состоит из привода, рычага чтения/записи, шпинделя и пластин, на которых хранятся данные. При работе с большим потоком запросов на чтение/запись (особенно для большого количества файлов небольшого размера) диск вращается, а головка чтения/записи продолжает двигаться для поиска данных, разбросанных по диску несмежным образом. Вот тогда и начинается задержка. Однако твердотельный диск не имеет движущихся частей и использует флэш-память для хранения данных, которая потребляет меньше энергии, почти не вызывает шума, вибрации и нагрева и работает на более высоких скоростях по сравнению с традиционным жестким диском.< /p>
    Теперь, когда мы понимаем разницу, что же такое SSD-кэш? Это место для временного хранения часто используемых данных (так называемых «горячих данных») на микросхемах флэш-памяти в твердотельном накопителе. Зарезервировав определенную часть в качестве кэша, где хранятся горячие данные, твердотельные накопители с меньшей задержкой могут быстрее реагировать на запросы данных, повышая скорость чтения/записи и повышая общую производительность.
    
    При запуске приложений, требующих более высоких произвольных операций ввода-вывода в секунду, или когда большие объемы данных записываются в несмежные блоки (например, базы данных OLTP и службы электронной почты), создание системы, полностью состоящей из твердотельных накопителей, может прожечь дыру в вашем кармане. Но не бойтесь, выход есть — SSD-кэш. Вы можете подключить SSD-кэш к одному тому хранилища или блочному iSCSI LUN, чтобы создать буфер чтения/записи, повышающий производительность произвольного доступа. Обратите внимание, что, поскольку в больших последовательных операциях чтения/записи, таких как потоковое видео высокой четкости, отсутствуют шаблоны повторного чтения, такие шаблоны рабочей нагрузки не могут значительно выиграть от кэширования SSD.
    
    Кэш SSD можно разделить на два следующих режима:
    1. Кэш только для чтения. Когда вы устанавливаете SSD в качестве кэша только для чтения, в кэше сохраняются только часто используемые данные, чтобы увеличить скорость произвольного чтения. Поскольку он не участвует в записи данных, данные останутся в целости и сохранности, даже если твердотельный накопитель выйдет из строя.
    2. Кэш для чтения и записи: по сравнению с кэшем только для чтения, кэш для чтения и записи синхронно записывает данные на SSD. Чтобы обеспечить безопасность данных, вам нужно как минимум два SSD для настройки RAID 1, чтобы обеспечить отказоустойчивость одного SSD. Но все же существует риск потери данных, если количество изношенных твердотельных накопителей превышает отказоустойчивость в конфигурации RAID.
    Правильный выбор
    
    Чем чаще SSD записывает данные, тем короче срок его службы. Поиск подходящего SSD, соответствующего вашим требованиям ввода-вывода, имеет первостепенное значение, поскольку вы не хотите, чтобы ваш кэш-диск изнашивался слишком быстро. При выборе подходящих твердотельных накопителей для настройки кэш-памяти твердотельного накопителя для вашего NAS следует оценить ресурс твердотельного накопителя, внимательно изучив две характеристики: TBW (количество записанных терабайтов) и DWPD (число операций записи на диск в день). TBW означает совокупный объем данных, которые можно записать на SSD за весь срок его службы, а DWPD означает, сколько раз вы можете перезаписывать весь SSD каждый день в течение гарантийного периода. Если вы знаете емкость вашего диска и его гарантийный срок, вы можете просто преобразовать TBW в DWPD или наоборот с помощью приведенного ниже уравнения:
    - TBW = DWPD X 365 X Гарантия (год) X Емкость (ТБ)
    - DWPD = TBW / (365 X Гарантия (год) X Емкость (ТБ))
    Скажем, у вас твердотельный накопитель емкостью 2 ТБ с гарантией на 5 лет. Если DWPD имеет рейтинг 1, это означает, что вы можете ежедневно записывать в него 2 ТБ данных в течение следующих 5 лет. На основании приведенного выше уравнения показатель TBW будет равен 1 * 365 * 5 * 2 = 3650 ТБ. Вам лучше заменить его до того, как он достигнет 3650 ТБ. Отслеживайте ежедневное использование NAS, чтобы оценить объем записываемых данных и посмотреть, соответствует ли рейтинг TBW вашим потребностям.
    
    Если вы ежедневно используете NAS с приложениями, требующими интенсивной записи, рекомендуется использовать корпоративные твердотельные накопители, чтобы убедиться, что они могут выдерживать интенсивные операции записи. Потребительские твердотельные накопители обычно имеют показатель DWPD ниже 1. Его можно использовать в качестве загрузочного диска, но он не может выдерживать длительные рабочие нагрузки чтения/записи. Большинство корпоративных твердотельных накопителей, напротив, имеют более высокий DWPD в диапазоне от 1 до 10 и, следовательно, обеспечивают большую надежность.
    
    Начнем с правильного пути
    
    Помимо долговечности SSD, вы также должны учитывать требования к памяти для кэширования SSD. Поскольку для кэша SSD требуется определенный объем системной памяти в зависимости от размера кэша, вам может потребоваться увеличить объем памяти, если вы хотите смонтировать кэш SSD большего размера. Для обеспечения стабильности системы только 1/4 предустановленной системной памяти выделяется для кэширования SSD.
    
    Поскольку твердотельный накопитель емкостью 1 ГБ занимает около 416 КБ системной памяти (включая расширяемую память), для двух кэш-памятей только для чтения SSD емкостью 128 ГБ (всего 256 ГБ) требуется не менее 104 МБ памяти, а для двух кэш-памятей SSD емкостью 128 ГБ 128 ГБ) потребляет 52 МБ памяти. Следует отметить, что нехватка памяти, таким образом, ограничивает размер кэша SSD.
    
    Оптимизация эффективности хранения
    
    Если в вашем сетевом хранилище есть разъем PCIe, вы можете рассмотреть возможность установки платы адаптера с двумя твердотельными накопителями M.2, которая поддерживает твердотельные накопители SATA и NVMe, чтобы повысить производительность кэш-памяти. С Synology M2D18 вы можете не только зарезервировать больше отсеков для хранения данных, но и использовать гибкие варианты SSD, поскольку он поддерживает модули M.2 в формате 2280/2260/2242.
    
    При рассмотрении вопроса о добавлении SSD-кэша для оптимизации производительности, помимо обращения к списку совместимости, чтобы найти совместимые SSD, мы также настоятельно рекомендуем вам посмотреть рейтинги TBW и DWPD в спецификациях дисков, чтобы убедиться, что срок службы SSD соответствует вашей рабочей нагрузке. требования.
    
    Узнайте, какие модели Synology NAS поддерживают SSD-кэш, и поделитесь с нами тем, что есть в вашем списке желаний NAS в Сообществе.
    
    Читайте также: