NVMe 閃存存儲已席捲整個行業，在需要高性能、低延遲存儲的情況下將自己確立為事實上的標準。 然而，有時 NVMe 可能有些矯枉過正，或者混合閃存方法更有意義的情況。 許多利用閃存的基於服務器的軟件定義解決方案可以在多層功能中實現。 VMware vSAN 和 Microsoft Azure Stack HCI 可能是這方面最著名的； 兩者都可以利用小型高性能閃存池進行分層，並利用更便宜的 SSD 來提供容量。 將低成本 SATA SSD 與少量 NVMe 相結合可提供性能、容量和成本的完美結合。
NVMe 閃存存儲已席捲整個行業，在需要高性能、低延遲存儲的情況下將自己確立為事實上的標準。 然而，有時 NVMe 可能有些矯枉過正，或者混合閃存方法更有意義的情況。 許多利用閃存的基於服務器的軟件定義解決方案可以在多層功能中實現。 VMware vSAN 和 Microsoft Azure Stack HCI 可能是這方面最著名的； 兩者都可以利用小型高性能閃存池進行分層，並利用更便宜的 SSD 來提供容量。 將低成本 SATA SSD 與少量 NVMe 相結合可提供性能、容量和成本的完美結合。
考慮閃存部署的另一個因素是服務器本身。 雖然有大量來自大大小小的供應商的全 NVMe 服務器，但通常走這條路是不切實際或沒有必要的。 由於 NVMe 驅動器成本高於 SATA，目前銷售的大多數服務器將提供幾個 NVMe 托架，其餘部分與 SATA/SAS 混合使用。 以這種方式出售的一種服務器是 戴爾易安信 PowerEdge R640.
Dell EMC PowerEdge R640 是一款 1U、2 插槽服務器，專為計算密度同等的任務而設計。 在我們的實驗室中，我們有一個 R640 配置有 10 個 2.5 英寸驅動器托架，包括 4 個 NVMe/SAS/SATA 組合托架和 6 個 SAS/SATA 托架，儘管戴爾提供了多種配置。 這種類型的存儲配置讓我們能夠利用多達四個非常快速的 NVMe SSD，以及利用成本優化的 SATA SSD。 隨著 I/O 需求的增長，組合托架還允許客戶在 NVMe SSD 上使用更多，或者根據構建的特定要求堅持使用更多 SATA 或 SAS。
SK 海力士 PE6011 固態硬盤
為了進一步說明這個概念，我們與 SK海力士 測試一組 PE6011 NVMe 固態硬盤 和一組 SE4011 SATA SSD。 進行這些測試是為了展示每個驅動器如何相互補充，NVMe 提供更大的帶寬和 I/O 潛力，而 SATA 提供容量要求，而不會顯著降低延遲或性能。 這些測試清楚地闡明了性能範圍的位置，因此企業有一個完整的畫面來幫助決策過程，尤其是在構建軟件定義的解決方案時，如對象存儲 (SUSE Enterprise Storage) 或更傳統的虛擬存儲設備 (StoreONE) .
SATA 與 NVMe SSD – Dell EMC PowerEdge R640 測試平台
在我們的測試配置中，我們使用了配備雙英特爾至強第二代可擴展 640 CPU 的戴爾 PowerEdge R2，時鐘速度為 8280GHz，每個 CPU 有 2.7 個內核。 與這些 CPU 配對的是 28 個 32GB 2933MHz DDR4 模塊，為系統提供了 384GB 的組合內存佔用空間。 對於 SATA 連接，R640 包括一個 PERC H740P RAID 卡和配置為 HBA 直通模式的驅動器。 對於 NVMe 連接，所有四個 SSD 都通過直接 PCIe 通道與第二個 CPU 通信，而無需使用 R2 內部的 PCIe 交換機。 這種方法繞過了控制器緩存的影響，而是專注於驅動器本身在 VMware 中整體或單獨的性能。
戴爾易安信 PowerEdge R640
我們的測試設置包括兩個存儲配置。 第一個是四個 PE6011 NVMe SSD，完全配備 PowerEdge R640 內的四個 NVMe 托架，留下六個剩餘的 SATA/SAS 托架。 第二個是八個 SE4011 SATA SSD，充分利用所有專用 SATA/SAS 托架，留下兩個 NVMe 組合托架可用。
對於裸機基準測試，我們使用最低限度的 CentOS 7.2 (1908)，並在 vdbench 旁邊安裝了 OpenJava。 我們對每個驅動器組進行了總體測量，顯示了四個 PE6011 NVMe SSD 的峰值性能，其次是八個 SE4011 SATA SSD。 在我們的虛擬化測試環境中，我們安裝了 VMware ESXi 6.7u3，並使用數據存儲格式化了單個 SSD，並將 SQL Server 或 MySQL 數據庫放在它們上面。 對於 Sysbench 測試，我們利用 8 個虛擬機，在 NVMe 測試的情況下每個 SSD 上放置兩個，在 SATA 測試的情況下每個 SSD 放置一個。 對於僅由 4 個虛擬機組成的測試的 SQL Server，我們將每個虛擬機放在自己的 SSD 上，為我們提供四個 NVMe SSD 或四個 SATA SSD 進行測試。
VDbench 測試/線程數
所有這些測試都利用通用的 vdBench 工作負載生成器，以及一個腳本引擎來自動化和捕獲大型計算測試集群的結果。 這使我們能夠在各種存儲設備上重複相同的工作負載，包括閃存陣列和單個存儲設備。
簡介：
- 4K 隨機讀取：100% 讀取，128 個線程，0-120% 重複率
- 4K 隨機寫入：100% 寫入，128 線程，0-120% iorate
- 64K 順序讀取：100% 讀取，32 線程，0-120% 迭代
- 64K 順序寫入：100% 寫入，16 個線程，0-120% 迭代
SQL Server 配置（4 個虛擬機）
StorageReview 的 Microsoft SQL Server OLTP 測試協議採用事務處理性能委員會的基準 C (TPC-C) 的最新草案，這是一種模擬複雜應用程序環境中活動的在線事務處理基準。 TPC-C 基準比綜合性能基準更接近於衡量數據庫環境中存儲基礎設施的性能優勢和瓶頸。
每個 SQL Server VM 都配置有兩個虛擬磁盤：100GB 卷用於啟動，500GB 卷用於數據庫和日誌文件。 從系統資源的角度來看，我們為每個虛擬機配置了 16 個 vCPU、64GB DRAM 並利用了 LSI Logic SAS SCSI 控制器。 雖然我們之前測試的 Sysbench 工作負載在存儲 I/O 和容量方面使平台飽和，但 SQL 測試尋找延遲性能。
此測試使用在 Windows Server 2014 R2012 來賓虛擬機上運行的 SQL Server 2，並由戴爾的數據庫基準工廠進行壓力測試。 雖然我們對該基準測試的傳統用法是在本地或共享存儲上測試 3,000 規模的大型數據庫，但在本次迭代中，我們專注於在我們的服務器上均勻分佈四個 1,500 規模的數據庫。
SQL Server 測試配置（每個虛擬機）
- 在Windows Server 2012 R2
- 存儲空間：分配 600GB，使用 500GB
- SQL Server 2014的
- 數據庫大小：1,500 規模
- 虛擬客戶端負載：15,000
- 內存緩衝區：48GB
- 測試時長：3 小時
- 2.5 小時預處理
- 30分鐘採樣期
MySQL Sysbench 配置（8 個虛擬機）
我們的 Percona MySQL OLTP 數據庫通過 SysBench 測量事務性能。 該測試測量平均 TPS（每秒事務數）、平均延遲和平均 99% 延遲。
每個 Sysbench VM 配置了三個虛擬磁盤：一個用於啟動 (~92GB)，一個用於預構建數據庫 (~447GB)，第三個用於測試中的數據庫 (270GB)。 從系統資源的角度來看，我們為每個虛擬機配置了 16 個 vCPU、60GB DRAM 並利用了 LSI Logic SAS SCSI 控制器。
Sysbench 測試配置（每個虛擬機）
- 中央操作系統 6.3 64 位
- Percona XtraDB 5.5.30-rel30.1
- 數據庫表：100
- 數據庫大小：10,000,000
- 數據庫線程：32
- 內存緩衝區：24GB
- 測試時長：3 小時
- 2 小時預處理 32 個線程
- 1 小時 32 個線程
SK 海力士 SATA 和 NVMe SSD 性能結果
為了表徵 SK 海力士 PE6011 NVMe SSD 和 SE4011 SATA SSD 的性能，我們對它們執行了“四角”綜合工作負載。 這將四個 NVMe SSD 的原始性能與八個 SATA SSD 的原始性能進行了比較，所有這些都直接針對總 I/O 圖片進行了尋址，而 RAID 不影響性能。
我們的第一個工作負載使用 64K 順序工作負載測量了每個驅動器組的峰值讀取帶寬。 在此工作負載中，我們測得 3.97 驅動器 SATA 組在 4 毫秒延遲時的峰值帶寬為 10.76GB/s。 四驅動器 NVMe 組在 0.734 毫秒時測得的峰值帶寬為 XNUMXGB/s。
接下來，我們查看了具有相同 64K 順序工作負載的順序寫入帶寬。 在此設置中，SATA SSD 組在峰值時測得 3.06GB/s，然後在過飽和點逐漸降低至 2.8GB/s，延遲為 2.8ms。 NVMe SSD 組雖然在 3.6 毫秒的延遲下擴展到 1.1GB/s。
將注意力轉移到測量 4K 隨機性能的峰值吞吐量測試上，我們首先查看讀取工作負載。 在此設置中，八個 SATA SSD 組以 542 毫秒的延遲達到 1.9k IOPS 的峰值。 相比之下，四個 NVMe SSD 能夠以 2.46M IOPS 的峰值吞吐量和 0.205 毫秒的延遲遠遠超過它們。
我們“四角”合成工作負載的最後一個組成部分測量了每個驅動器組的隨機 4K 寫入性能。 八個 SATA SSD 能夠在 500ms 延遲時提供 1.99k IOPS 峰值，而四個 NVMe SSD 在 835ms 延遲時提供 0.572k IOPS。
在綜合測試的最後階段，我們研究了兩個 VDI 用例，第一個是 VDI 完整克隆啟動。 在此工作負載中，四個 PE6011 NVMe SSD 的峰值帶寬為 384k IOPS 或 5.3GB/s，延遲為 0.33ms，而八個 SATA SE4011 SATA SSD 的峰值帶寬為 202k IOPS 或 2.8GB/s，延遲為 1.2ms。
在測量 PE6011 NVMe SSD 的性能時，我們看到該組的峰值帶寬在 186 毫秒時達到 3.5k IOPS 或 0.55GB/s。 八驅動器 SATA 組在 109 毫秒延遲時測得超過 2.1k IOPS 或 1.9GB/s。
通過查看每個驅動器組在我們的四角和 VDI 工作負載中的表現，我們發現 2:1 的 SATA 與 NVME 比率提供了讀寫性能的良好平衡。 與 SATA 同類產品相比，PE6011 SSD 能夠以低延遲提供非常強大的讀取吞吐量和帶寬。 從寫入吞吐量和帶寬來看，SE4011 SSD 能夠吸收的工作負載與 NVMe 同類產品相差不遠，這對於在存儲解決方案中組合不同類別的驅動器非常重要，因為數據需要足夠快地在層之間移動，而不會減慢傳入的工作負載.
我們的最後兩個工作負載著眼於在 VMWare ESXi 6.7u3 虛擬化環境中跨多個 VM 運行的 Microsoft SQL Server TPC-C 和 MySQL Sysbench 性能。 這兩項測試都旨在展示真實世界的性能，我們的 SQL Server 工作負載側重於延遲，而我們的 MySQL 測試側重於峰值事務性能。
在我們的 SQL Server 工作負載中，該項目包括測試 4 個 VM，每個都放置在一個 VMFS 5 數據存儲中。 此工作負載利用了四個 SK hynix PE6011 NVMe SSD 和四個 SE4011 SATA SSD。 使用 Quest Benchmark Factory，每個 VM 都應用了 15k 虛擬用戶，並測量了數據庫的響應能力。
在四個 SK hynix PE6011 NVMe SSD 中，我們測得四個虛擬機的平均延遲為 2 毫秒。 將相同的工作負載轉移到四個 SE4011 SATA SSD 時，延遲平均達到 16 毫秒。
在我們最終的數據庫工作負載中，我們查看了 8 個虛擬機的性能。 對於 8 個虛擬機，我們在 4 個 NVMe SSD 中各放置兩個，在 8 個 SATA SSD 中各放置一個。 在此工作負載中，我們測量每個 VM 的單獨事務性能並將它們匯總在一起以獲得總分。
在四個 SK 海力士 PE6011 NVMe SSD 中，我們測得總計 18,525TPS，平均延遲為 13.81 毫秒。 將該工作負載轉移到八個 SK 海力士 SE4011 NVMe SSD，總計測得 13,032TPS，平均延遲為 19.64 毫秒。
SATA 與 NVMe SSD——決賽 思考
在考慮任何形式的存儲時，了解所考慮系統的性能、成本和容量特徵至關重要。 在這種情況下，我們正在研究 SK 海力士的多樣化 SSD 產品組合，它能夠滿足幾乎無窮無盡的用例供應。 由於 SK hynix 提供 SATA 和 NVMe SSD，因此可以通過多種方式利用這些驅動器。 雖然 NVMe SSD 顯然速度很快，但它們的價格高於 SATA。 另一方面，SATA SSD 放棄了 NVMe 提供的速度，但更經濟，並且仍然從閃存提供的所有 TCO 優勢中受益於硬盤驅動器。 因此，大多數企業都可以從混合閃存方法中受益，將 NVMe 的性能與 SATA 的有利經濟性相結合。
這個機會在軟件定義存儲和超融合市場中最為明顯。 大多數 SDS 和 HCI 部署旨在利用不同類別的存儲； StoreONE、Microsoft Azure Stack HCI 和 VMware vSAN 都是很好的例子。 在某些情況下，NVMe SSD 可以充當 SATA 驅動器前面的緩存或層，後者充當系統的容量。 在其他情況下，可以創建不同的池，在這種情況下，一個 NVMe 性能池和一個用於不太關鍵的應用程序工作負載的 SATA 池。
為了說明這兩種類型固態硬盤的優勢，我們在 Dell EMC PowerEdge R6011 中測試了一組 PE4011 NVMe 固態硬盤和 SE640 SATA 固態硬盤。 我們的主要發現表明，PE6011 NVMe SSD 能夠在我們的合成和應用程序工作負載中提供強大的低延遲性能，提供超過 10.7GB/s 的讀取帶寬。 此外，我們的研究結果表明，SE4011 SATA SSD 補充了 NVMe SSD，為我們的所有工作負載提供穩定的容量層，這是數據可能位於任一存儲池上的分層或緩存場景中的重要考慮因素。 SATA SE4011 組的寫入性能非常好，八個驅動器的寫入性能為 2.8GB/s，而四個 PE3.6 NVMe SSD 的寫入性能為 6011GB/s。 當工作負載轉移到緩存或分層之前，或需要良好執行時，強大的寫入性能使它們能夠為均衡的存儲解決方案提供一致的用戶體驗。
SK 海力士在過去一年半的時間裡加倍努力開發企業級閃存，以多樣化、垂直整合的產品組合迅速推向市場。 這一系列產品為客戶提供了選擇，以確保他們的部署按預期執行。 無論驅動器進入 SDS 解決方案、HCI 集群還是僅用作服務器存儲，SK 海力士都準備好在這一旅程中為他們的客戶提供支持。
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本報告由 SK 海力士贊助。 本報告中表達的所有觀點和意見均基於我們對所考慮產品的公正看法。
