Новые SSD Seagate Nytro

08.04.20

В данном обзоре представлены сразу три серверных твердотельных накопителя от компании Seagate: два с интерфейсом SATA и один SAS, существенно отличающийся от первых двух по производительности:

• Seagate Nytro 1351, 960 ГБ, 1 DWPD
• Seagate Nytro 1551, 960 ГБ, 3 DWPD
• Seagate Nytro 3331, 1920 ГБ, 1 DWPD

Серверные SSD Seagate

Бренд Seagate раньше ассоциировался исключительно с жёсткими дисками, но опыт в разработке твердотельных накопителей у компании накопился достаточно большой. В том числе за счет приобретений — шесть лет назад был куплен у Avago флеш-бизнес LSI, в том числе контроллеры SandForce и PCIe-накопители WarpDrive¹. Успешным был и партнёрский проект с Micron, благодаря которому появились накопители Seagate 1200.2 с интерфейсом SAS².

В 2020 году портфолио серверных твердотельных накопителей Seagateсостоит из трёх категорий, объединённых под общим брендом Nytro:

• Nytro SAS. Пока ещё сохраняется линейка Nytro 3000 2018 года на основе памяти 3D eMLC, но сейчас её вытесняет Nytro 3031 на основе 3D TLC NAND от Toshiba. Модельный ряд очень широкий: 4 категории (3131, 3331, 3531, 3731) по ресурсу (0.8, 1, 3 и 10 DWPD), объёмы от 400 ГБ до 15 терабайт — в общей сложности 15 моделей, если не учитывать разновидности с самошифрованием. В этом обзоре мы подробно изучим одну из моделей новой линейки — Nytro 3331 объёмом 1920 ГБ.
• Nytro SATA. Здесь всего две категории по ресурсу, на 1 и 3 DWPD (Nytro 1351 и 1551 соответственно), но сохраняется большой выбор по объёмам — от 240 ГБ до 3,84 ТБ. Сегодня мы сравним два накопителя одинакового объёма разных моделей.
• Nytro NVMe. Накопители форм-факторов M.2 и U.2 (2.5"), двух категорий с 0.3 и 1.5 DWPD.

Seagate Nytro 1351 и 1551

Новая линейка серверных накопителей с интерфейсом SATA использует 64-слойную NAND-память TLC от компании Toshiba. Предлагается 1 или 3 перезаписи в день и пять вариантов по объёму: 240, 480, 960, 1920, 3840 ГБ. Заявленная производительность на запись зависит от объёма, на средних моделях составляет примерно 40 тыс. IOPS — это существенный шаг вперёд в сравнении с предыдущей линейкой Seagate XF1200. Все накопители в линейке снабжены защитой от аварийного отключения питания. Прямыми конкурентами новых SATA-накопителей Seagate являются: Intel S4510/S4610, Micron 5200/5300, Kingston DC500R/DC500M.

В качестве ключевой особенности Seagate упоминает технологию DuraWrite, использующую «сжатие без потерь» для увеличения производительности на запись (до 3.5 раз в сравнении с конкурентами согласно заявлению Seagate) и экономии ресурса NAND. Мы не знаем, зачем упомянуто именно «сжатие без потерь» (кому нужно сжатие критически важных данных с потерями?), но действительно, предварительное сжатие данных контроллером перед записью в NAND имеет смысл. Данная технология применялась ещё в первых накопителях с интерфейсом PCIe производства LSI и продемонстрировала прирост производительности как в синтетических тестах (производительность на запись линейно росла при увеличении сжимаемости блоков вплоть до 50%), так и в OLTP-нагрузках (среднестатистическая сжимаемость данных в СУБД составляет 10—20%). Тестирование, проведенное компанией Demartek, показало хорошие результаты на сжимаемых данных. При написании обзоров накопителей нас, в первую очередь, интересует чистая производительность, так что все тесты проводятся на несжимаемых данных — FIO генерирует псевдослучайную последовательность для каждого нового блока записываемых данных. К сожалению, текущая обстановка не позволила провести дополнительные тесты на сжимаемых блоках. В ближайшее время эти тесты будут проведены, статья будет дополнена соответствующими графиками.

Характеристики модели 960 ГБ 1351 и 1551

• Форм-фактор: 2,5", высота 7 мм
• Интерфейс: SATA 3.0, 6 Гбит/с
• Заявленная производительность
  • Последовательный доступ: чтение — 564/564 МБ/с, запись — 536/537 МБ/с
  • Случайный доступ (блок 4 КиБ): чтение — 93000/93000 IOPS, запись — 22000/59000 IOPS
  • Средняя задержка (блок 4 КиБ, QD=1): чтение — 153/148 мкс, запись — 58/38 мкс
• Эмулируемый размер сектора: 512/4096 байт (логический/физический)
• Ресурс: 1/3 DWPD
• Гарантийный срок: 5 лет

Подробные характеристики всех накопителей в линейке приведены в официальной спецификации. В этом документе упоминается, что показатели получены для данных с сжимаемостью 20%. Тестирование в True System проводилось для несжимаемых данных. В ближайшее время мы проведем дополнительные тесты на блоках с сжимаемостью в 20%.

Серверные SSD Seagate с интерфейсом SAS

Твердотельные накопители с интерфейсом SAS обеспечивают гораздо большую производительность. Связано это не только с интерфейсом (хотя пропускная способность SAS и особенности работы протокола тоже имеют значение), но в первую очередь — с форм-фактором. Толщина корпуса в 15 мм позволяет разместить более производительный контроллер с большим тепловыделением. Несмотря на появление накопителей NVMe интерфейс SAS всё ещё востребован в решениях, требующих размещения большого объёма быстрого флеша: в классических системах хранения данных и серверах без возможности подключения NVMe.

Верхняя часть корпуса накопителя выполнена из алюминия толщиной около 1,5 мм. Под тонкой нижней стальной крышкой находится печатная плата.

Контроллер, память DRAM, часть NAND размещена на верхней стороне платы, остальные микросхемы NAND на нижней. К ней прижат небольшой плоский радиатор, который через термопасту продольным ребром передаёт тепло на верхнюю крышку корпуса.

При сравнении со старым накопителем Seagate 1200.2 наглядно виден эффект более плотной упаковки NAND-памяти и совершенствования контроллеров. При том же «сыром» объёме накопитель на базе MLC потребовал применения более громоздкой конструкции из двух печатных плат.

Характеристики Nytro 3331 1920 ГБ

• Форм-фактор: 2,5", высота 15 мм
• Интерфейс: SAS 3, 12 Гбит/с
• Заявленная производительность (при однопортовом доступе)
  • Последовательный доступ: чтение — 1100 МБ/с, запись — 1000 МБ/с
  • Случайный доступ (блок 4 КиБ): чтение — 180 000 IOPS, запись — 80 000 IOPS
• Эмулируемый размер сектора: 512/4096 байт (логический/физический)
• Ресурс: 1 DWPD
• Гарантийный срок: 5 лет

Подробные характеристики всех накопителей в линейке приведены в официальной спецификации. В документе указаны условия тестирования производительности последовательного и случайного доступа: глубина очереди 32 на порт и тестирование «в начале срока эксплуатации». Не совсем ясно, означает ли это отсутствие предварительной нагрузки (preconditioning'а) или речь идёт просто о возможном снижении производительности при деградации ячеек и уменьшении резервной области. Обратите внимание, что характеристики в нашей статье приведены для однопортового доступа. В системах, обеспечивающих доступ к накопителям через два порта SAS (т.н. dual-domain SAS, с доступом через два SAS-экспандера), производительность будет выше. Например, для Nytro 3331 объёмом 1920 ГБ заявлено последовательное чтение со скоростью 2200 МБ/с вместо 1100 МБ/с.

Тестирование

Условия тестирования

Конфигурация тестового стенда:

• Процессор Intel Xeon E5-2620 V4 (8 ядер, 2,1 ГГц, HT включен)
• 32 ГБ памяти
• Системная плата Supermicro X10SRi-F (1x socket R3, Intel C612)
• SAS HBA Broadcom 9300-8i
• Arch Linux, ядро 5.5.8
• Для генерации нагрузки применялся FIO версии 3.19

Тестируемые устройства:

• Seagate Nytro 1351 960 ГБ (XA960LE10063)
• Прошивка: SF441121
• Объём: 960 197 124 096 байт (894 ГиБ)

• Seagate Nytro 1551 960 ГБ (XA960ME10063)
• Прошивка: SF442147
• Объём: 960 197 124 096 байт (894 ГиБ)

• Seagate Nytro 3331 960 ГБ (XS1920SE70004)
• Прошивка: 0004
• Объём: 1 920 383 410 176 байт (1788,5 ГиБ)

Использованы модифицированные тесты из SNIA Solid State Storage Performance Test Specification v2.0.1. Данная спецификация описывает алгоритмы различных тестов и формат отчетов. Ниже приведены параметры тестов и отличия от SNIA PTS:

• IOPS Test. Измеряется количество IOPS (операций ввода-вывода в секунду) для блоков различного размера (1024 КиБ, 128 КиБ, 64 КиБ, 32 КиБ, 16 КиБ, 8 КиБ, 4 КиБ, 0,5 КиБ) и случайного доступа с различным соотношением чтение/запись (100/0, 95/5, 65/35, 50/50, 35/65, 5/95, 0/100). Параметры: 16 потоков с глубиной очереди 8. Отличие от спецификации — из теста был исключён блок 0,5 КиБ (512 байт).
• Throughput Test. Тестируется пропускная способность при последовательном доступе: чтение и запись блоками 1 МиБ и 128 КиБ.
• Latency Test. Измеряется значение средней и максимальной задержки для различных размеров блока (8 КиБ, 4 КиБ, 0,5 КиБ) и соотношений чтение/запись (100/0, 65/35, 0/100) при минимальной глубине очереди (1 поток с QD=1). Отличия от спецификации:
  • исключён блок 0,5 КиБ
  • вместо однопоточной нагрузки с очередями 1 и 32 нагрузка варьируется по количеству потоков (1, 2, 4) и глубине очереди (1, 2, 4, 8, 16, 32) для СХД, массивов, одиночных накопителей SAS и SATA. Для NVMe и all-flash конфигураций используется большее количество потоков с глубиной очереди до 128.
  • вместо соотношения 65/35 используется 70/30
  • приводятся не только средние и максимальные значения, но и перцентили 99%, 99,9%.
  • для выбранного значения количества потоков строятся графики зависимости задержки (99%, 99,9% и среднего значения) от IOPS для всех блоков и соотношений чтение/запись
• Write Saturation Test. Тестируется изменение производительности (IOPS и задержка) при непрерывной нагрузке (1200 раундов по 1 минуте) на случайную запись блоками 4 КиБ. Цель — добиться перехода SSD в режим насыщения, при котором контроллеру приходится непрерывно заниматься сборкой мусора для подготовки пригодных для записи блоков NAND.

Для первых трех тестов проводится серия замеров из 25 раундов длительностью 1 минута каждый. Перед тестом производится зануление (в данном случае — secure erase при помощи утилиты hdparm, для накопителей SAS — форматирование при помощи sg_format), затем — предварительная нагрузка: последовательная запись блоками 128 КиБ до достижения 2-кратной емкости. Далее выбирается по одной из величин окно установившегося состояния (4 раунда), которое проверяется построением графика. Критерии установившегося состояния: линейная аппроксимация в пределах окна не должна выходить за границы 90%/110% среднего значения.

SNIA PTS: IOPS test (IOPS при варьировании размера блока и соотношения чтение/запись)

Данный тест не предусматривает выхода в режим насыщения, так что результаты производительности на запись оказываются существенно выше заявленных и приблизительно соответствуют нагрузке с небольшой долей записи.

Seagate Nytro 1351

Табличные данные:

Размер блока, КиБ	Чтение/запись
	0/100	5/95	35/65	50/50	65/35	95/5	100/0
4	65315	61975	44444	44786	49390	61940	69348
8	46218	45329	39197	35860	36006	41629	45621
16	27206	26360	23172	21725	23748	26198	27110
32	14769	13601	11531	10440	12870	14340	14272
64	7804	7511	6793	5947	7035	7692	7747
128	4019	3878	3187	3134	3571	4071	4114
1024	513	488	430	421	458	536	542

Seagate Nytro 1551

Табличные данные:

Размер блока, КиБ	Чтение/запись
	0/100	5/95	35/65	50/50	65/35	95/5	100/0
4	65936	62126	45769	44580	49728	62219	69764
8	46266	45711	39453	36933	35906	41791	45848
16	27220	26805	23108	22179	23866	26153	27135
32	14794	13567	11492	10956	12778	14339	14271
64	7814	7523	6793	6516	6953	7669	7745
128	4016	3863	3164	3166	3531	4073	4114
1024	513	486	432	427	467	536	542

Оба накопителя демонстрируют практически одинаковую и достаточно высокую производительность во всех нагрузках этого теста. Но при этом производительность на чтение далека от заявленных 93000 IOPS.

Seagate Nytro 1551

Табличные данные:

Размер блока, КиБ	Чтение/запись
	0/100	5/95	35/65	50/50	65/35	95/5	100/0
4	189965	173382	194379	217491	222164	234802	242854
8	125316	111799	117518	137415	137067	128426	128138
16	65106	51062	56774	77755	77464	67892	65880
32	33098	25458	29728	40332	29773	33892	33390
64	13814	13995	16119	18744	20789	17423	16829
128	7369	7584	8296	9957	11665	8796	8433
1024	985	1017	834	858	858	820	826

Nytro 3331 с интерфейсом, помимо существенно более высокого уровня производительности в сравнении с SATA-собратьями, но и не отклоняется в меньшую сторону от заявленных характеристик — при 180 тысячах IOPS в спецификации накопитель демонстрирует 242 тысячи. Это даже больше, чем заявлено при двухпортовом подключении.

SNIA PTS: throughtput test

Пропускная способность при последовательном доступе блоками 128 КиБ и 1 МиБ, 8 потоков с глубиной очереди 16 на каждый поток.

Seagate Nytro 1351:

• 128 КиБ последовательное чтение: 455,6 МиБ/с
• 128 КиБ последовательная запись: 500,3 МиБ/с
• 1 МиБ последовательное чтение: 408,5 МиБ/с
• 1 МиБ последовательная запись: 502,1 МиБ/с

Seagate Nytro 1551:

• 128 КиБ последовательное чтение: 453,5 МиБ/с
• 128 КиБ последовательная запись: 499,1 МиБ/с
• 1 МиБ последовательное чтение: 426,4 МиБ/с
• 1 МиБ последовательная запись: 499,9 МиБ/с

Seagate Nytro 3331:

• 128 КиБ последовательное чтение: 834,7 МиБ/с
• 128 КиБ последовательная запись: 959,1 МиБ/с
• 1 МиБ последовательное чтение: 1054,1 МиБ/с
• 1 МиБ последовательная запись: 850,4 МиБ/с

SATA-накопители Nytro 1351 и 1551 снова отстают от заявленных характеристик на чтение, на этот раз при последовательном доступе. Сжимаемость данных на чтение никакого влияния не оказывает, в качестве причин остаётся наличие предварительной нагрузки — возможно, сборка мусора снижает производительность накопителя, в том числе на чтение.

Latency vs IOPS test

Данные усреднялись по четырём из 25-ти раундов длительностью 35 секунд (5 «прогревочных» + 30-секундная нагрузка) каждый. Для графиков выбрана серия значений с глубиной очереди от 1 до 32 при 1–4 потоках (хотя для накопителей SATA достаточно максимальной глубины очереди 32 при одном потоке). По мере увеличения глубины очереди растёт задержка, и по подобному графику можно оценить не просто абстрактное число IOPS, а производительность с учётом задержки.

Seagate Nytro 1351

Средняя задержка:

99.9%-перцентиль задержки:

Seagate Nytro 1551

Средняя задержка:

to do

99.9%-перцентиль задержки:

Мы снова наблюдаем практически идентичное поведение накопителей 1351 и 1551. Задержка при минимальной очереди оказалась выше заявленной, но тут необходимо провести повторный тест в соответствии с условиями, упомянутыми Seagate в спецификации — использовать блоки с сжимаемостью в 20%. Использование таких блоков приведёт к тому, что на стадии предварительной нагрузки объём данных, фактически записанный в NAND будет существенно меньше. Как следствие, у накопителя останется больший резерв подготовленных для записи ячеек, и производительность в последующих тестах, в том числе со смешанной нагрузкой, должна быть выше.

Если сравнить Nytro 1000-й серии с другими накопителями на базе 3D-TLC NAND, например, Kingston DC500, то мы увидим, что даже младшая модель DC500R ведёт себя чуть лучше при смешанных нагрузках, но накопители Seagate существенно лучше справляются с записью.

Seagate Nytro 3331

Средняя задержка:

99.9%-перцентиль задержки:

Nytro 3331 демонстрирует наглядно демонстрирует преимущество в смешанных нагрузках. Если при 100% чтении мы можем говорить о том, что при небольшой нагрузке накопители Nytro 1000 и 3000 могут продемонстрировать сопоставимые результаты (30—40 тыс. IOPS при задержке менее 200 мкс), то при добавлении 30% записи картина меняется: Nytro 3331 обеспечивает практически в несколько раз меньший уровень задержки.

Дополнение: Latency vs IOPS test на сжимаемых данных

Для всех тестируемых накопителей тест был повторён. Необходимо было воспроизвести условия тестирования с учётом работы технологии DuraWrite. На этот раз вместо полностью случайных данных содержимое для каждого блока генерировалось с сжимаемостью в 20% (т. е. до 80% от исходного объёма). Результат для SATA-накопителей: производительность на 100%-запись выросла почти в 2 раза при снижении задержки на порядок, в смешанных нагрузках (чтение+запись 30/70%) — в 1,5 раза.

1351, средняя задержка:

1351, 99.9%-перцентиль задержки:

1551, средняя задержка:

1551, 99.9%-перцентиль задержки:

Мы вновь видим, что 1351 и 1551 практически идентичны по производительности в синтетических тестах. Так что выборать между ними придётся исключительно исходя из требований к ресурсу.

Для Nytro 3331 увеличение сжимаемости данных не оказало никакого влияния. Очевидно, что в накопителях линейки 3031 сжатие данных не применяется. При этом производительность этих накопителей всё равно остаётся выше, чем у младшей линейки с интерфейсом SATA.

SNIA PTS: Write Saturation Test (насыщение при случайной записи блоками 4 КиБ)

В предыдущих тестах мы уже отметили, что оба SATA-накопителя практически не отличимы друг от друга по производительности. В тесте с насыщением записью эта картина, казалось бы, должна измениться, так как существенную разницу в заявленном ресурсе (1 и 3 DWPD) нужно чем-то обеспечить — увеличением резервной области, применением другой разновидности NAND, увеличением объёма DRAM-кэша. Но этого не произошло — графики практически совпадают, и заявленные 68 тысяч IOPS одинаково превращаются в 25. Напомним, что «на бумаге» разница должна быть. Seagate заявляет 22 и 59 тысяч IOPS, но из методики тестирования указывает только сжимаемость данных в 20%.

Дополнительную «резвость» на запись накопителю может придать увеличение резервной области. Мы уменьшили доступный объём для Nytro 1551 с 960 до 900 ГБ при помощи hdparm. Результат на графике IOPS представлен синим цветом. Как видите, появился существенный прирост, уровень падает до 33 тысяч IOPS.

Графики задержки ведут себя аналогичным образом. Дополнительный overprovisioning для Nytro 1551 помогает пропорционально снизить уровень задержки. Но она по-прежнему выглядит не очень стабильно: перцентиль 99.99% демонстрирует периодические с многократным ростом. Такое поведение вполне ожидаемо от бюджетных накопителей, не предназначенных для экстремальной нагрузки на запись, но некоторым конкурентам удаётся обойтись без этих пиков.

Nytro 1351:

Nytro 1551:

Nytro 1551 с дополнительным OP (900 ГБ):

Если вам нужна быстрая запись с минимальной задержкой, то лучше рассматривать накопители с интерфейсом SAS. IOPS'ы снижаются до 80000, что полностью соответствует документации. Но главное — задержка ведет себя гораздо скромнее: выше производительность контроллера, больше объём кэша, больше каналов подключения NAND.

Nytro 3331:

SNIA PTS: Host Idle Recovery (HIR)

Данный тест проводится после предыдущего, т.е. накопитель находится в режиме насыщения, с небольшим запасом подготовленных для записи ячеек. Производительность на запись снижена, далее мы даём накопителю возможность восстановить её, прерывая серию из 360 раундов с непрерывной нагрузкой (чёрный цвет на графике) сериями из 360-ти раундов с увеличивающимися паузами:

• 5 секунд нагрузки + 5 секунд паузы
• 5 секунд нагрузки + 10 секунд паузы
• 5 секунд нагрузки + 15 секунд паузы
• 5 секунд нагрузки + 25 секунд паузы
• 5 секунд нагрузки + 50 секунд паузы

Nytro 3331:

Для большинства накопителей график HIR выглядит так: после предварительной нагрузки производительность снижается, затем при добавлении пауз восстанавливается, снова снижаясь в периоды непрерывной нагрузки (см. тест Toshiba PX05). Скорость восстановления уровня производительности зависит от реализации алгоритма сборки мусора контроллером и приоритета этой задачи — важно не только своевременно подготовить блоки для записи, но и успеть обработать нагрузку.

Nytro 3331 ведёт себя не совсем обычно: в середине третьего раунда нагрузки с паузами по 15 секунд накопитель немного, приблизительно на 15%, снижает производительность. Дополнительная ступенька образуется после предпоследнего раунда непрерывной нагрузки.

Применение многослойной TLC памяти требует изменения алгоритмов сборки мусора, но даже в этом случае при экстремальных нагрузках на запись не удаётся сохранить низкий уровень задержки в сравнении с накопителями на основе MLC. Например, Toshiba PX05SR с аналогичным ресурсом в 1 DWPD три года назад демонстрировал в данном тесте гораздо меньшую дисперсию значения задержки — основная масса запросов обрабатывалась с задержкой не более 8 мс.

Заключение

Обе линейки новых твердотельных накопителей получились у Seagate достаточно удачными. Накопители Nytro 1000 ограничены по производительности интерфейсом SATA и компактным корпусом, зато Nytro 3031 демонстрируют типично высокий для накопителей с интерфейсом SAS уровень производительности в несколько сотен тысяч IOPS на чтение, достаточно высокую для данного класса скорость записи при низкой задержке.

Сжатие данных (технология DuraWrite) действительно оказывает существенное влияние на производительность записи накопителей Nytro 1351 и 1551.

Примечания

1. Пресс-релиз Seagate, 2014.
2. Обзор одной из моделей Seagate линейки 1200.2 мы публиковали в 2016 году.