當 NVMe™ 驅動器首次問世時，我們知道性能會更出色，但質疑它們何時才能在成本上與 SATA SSD 相媲美。 由於其初始成本，NVMe 驅動器用於需要利用其高性能特性的企業應用程序。 就每 IOPS 美元而言，NVMe 驅動器很快就變得比 SATA/SAS SSD 更便宜。 但現在，我們開始達到這樣一個地步，即它們在容量基礎上並不比 SATA/SAS SSD 貴多少。 當我們在實驗室收到 Western Digital Ultrastar® DC SN640 NVMe SSD 進行性能測試時，這種 GB 與美元的比較讓我們明白了——它提供了比 SATA/SAS SSD 顯著的性能改進，並面向主流企業存儲市場。 現在 NVMe SSD 的成本接近平價，我們將它們視為主流應用數據中心 SATA 驅動器的替代品，因為它們提供更好的性能，同時具有更低的功耗要求。
當 NVMe™ 驅動器首次問世時，我們知道性能會更出色，但質疑它們何時才能在成本上與 SATA SSD 相媲美。 由於其初始成本，NVMe 驅動器用於需要利用其高性能特性的企業應用程序。 就每 IOPS 美元而言，NVMe 驅動器很快就變得比 SATA/SAS SSD 更便宜。 但現在，我們開始達到這樣一個地步，即它們在容量基礎上並不比 SATA/SAS SSD 貴多少。 當我們在實驗室收到 Western Digital Ultrastar® DC SN640 NVMe SSD 進行性能測試時，這種 GB 與美元的比較讓我們明白了——它提供了比 SATA/SAS SSD 顯著的性能改進，並面向主流企業存儲市場。 現在 NVMe SSD 的成本接近平價，我們將它們視為主流應用數據中心 SATA 驅動器的替代品，因為它們提供更好的性能，同時具有更低的功耗要求。
在深入了解 Ultrastar SN640 的細節並概述我們對其進行的性能測試之前，讓我們先了解一下 Western Digital 的閃存存儲背景和當前產品線，以及閃存背後的技術SN640 使其成為 SATA/SAS 驅動器的極具吸引力的替代品。
Western Digital 成立於 1970 年，在開發和處理半導體方面有著悠久的歷史。 他們首先生產分立元件，例如推動 1970 世紀 1990 年代中期電子計算器革命的芯片，然後是磁盤驅動器的控制芯片； 在這種背景下，他們順理成章地轉向生產整個硬盤。 在 2000 年代和 XNUMX 年代初期，他們創造了許多創新，提高了硬盤的性能和容量。
多年來，Western Digital 與 SanDisk® 合作開發閃存產品，並於 2016 年收購了它們。SanDisk 是閃存領域的早期創新者，並隨著時間的推移證明是存儲市場上真正的創新者。 1988 年，他們推出了 系統閃存 用於計算機存儲，並在 1990 年代與 Western Digital 合作創建了第一款商用閃存 SSD 產品。 隨著時間的推移，SanDisk 已被證明是存儲市場上真正的創新者； 他們出貨了世界上第一款商用 NANDS MLC 1GB 芯片，以及聯合開發的 microSD™ 卡、採用 64GB X4（每單元 4 位）NAND 閃存技術的閃存卡，以及其他推動閃存向前發展的技術，不僅從技術和性能的角度，但也從成本的角度來看。
憑藉這一豐富的歷史，西部數據開發了一系列產品以滿足商業和企業用戶的特定需求，並使用不同的品牌來滿足不同市場的需求，提供獨特的產品。 例如，SanDisk 品牌專注於移動存儲產品，而 G-Technology® 品牌則專注於為創意專業人士設計的驅動器和存儲系統。
在 Western Digital 品牌下，他們提供 HDD 和閃存驅動器，以及供個人和企業使用的存儲解決方案。 為了幫助用戶選擇最適合他們需求的硬盤，Western Digital 將他們的一些硬盤分為顏色編碼的分類：WD Green 硬盤用於 PC 的日常計算需求，WD Blue 硬盤用於台式機使用，WD Purple 硬盤用於監控存儲，WD Red 驅動器面向網絡連接存儲，WD Black 和 WD Gold 驅動器分別是高性能遊戲和企業驅動器。 最後兩個顏色類別提供五年有限保修，而其他顏色類別提供三年有限保修。 Western Digital 不提供所有顏色的 HDD、SATA、SAS 或 NVMe 設備，但它們確實為給定用例提供了最合適的存儲技術。
對於企業和數據中心客戶，Western Digital 擁有一系列 Ultrastar 驅動器。 他們在驅動器前加上兩個字符的代碼以指示設備類型： HC 是硬盤設備， SS 是SAS驅動器，SN是NVMe驅動器， SA 是 SA SATA 驅動器，並且 ME 是內存擴展驅動器。
我們將在本文中看到的驅動器是 Western Digital Ultrastar DC SN640 NVMe SSD。 它是 Ultrastar DC SN630 的繼任者，在性能上進行了重大改進。 這兩款驅動器都使用西部數據的內部 NVMe 控制器以及他們自己的 NAND 和固件，提供大量優化，從而實現一致的低延遲和高性能。 這些驅動器適用於主流設計，是 Western Digital 將其作為過渡驅動器銷售的驅動器，旨在讓企業客戶遠離上一代 SATA/SAS 閃存存儲技術，並採用當前的 NVMe 閃存存儲技術。 Western Digital 為分銷商和電子零售商提供少量 WD Gold NVMe SSD，它具有許多與 Ultrastar SN640 相同的功能。 值得注意的是，Western Digital 還提供了 Ultrastar DC SN840 NVMe SSD，其目標是運行關鍵任務工作負載和 HPC 服務器的 AFA。 我們期待著接觸到這款產品。
SN640 系列 NVMe 驅動器尺寸為 2.5” x 7mm，帶有 U.2 連接器，存儲容量從 800GB 到 7.68TB。 由於這些驅動器專為企業和數據中心使用而設計，因此提供五年有限保修，平均故障間隔時間 (MTBF) 額定值為 2 萬小時，額定 DWPD 為 0.8 或 2.0，並具有安全擦除 ( SE) 即時安全擦除 (ISE) 或 TCG Ruby 安全選項。 為了提高性能，SN 驅動器使用 Western Digital 自己的 PCIe Gen 3.1 x 4 (NVMe 1.3) 控制器。 此外，為了使它們與 SATA/SAS SSD 驅動器相比具有成本競爭力，它們使用了 Western Digital 的 96 層 BiCS4 3D TLC NAND。 Western Digital 將這些驅動器評為高達 515K IOPs 隨機讀取，並聲稱它們提供五倍的讀取性能，同時使用比 SATA 驅動器低 65% 的 IOP/Watt。
Western Digital Ultrastar DC SN640 NVMe SSD 規格：
- 外形尺寸：2 2.5”，7 毫米
- 容量：800GB 至 7,680GB
- NAND：西部數據BiCS4 3D TLC NAND
- 接口：PCIe Gen3 x4（符合 NVMe 1.3c）
- 性能：（TCG Ruby 模型）
- 順序讀取性能（最高）：3340 MB/s
- 順序寫入性能（最高）：2190 MB/s
- 隨機 4KiB 讀取（最高）：515K IOPS
- 隨機 4KiB 寫入（最高）：161K IOPS
- 隨機 70/30 讀/寫，4KiB（最高）：305K IOPS
- 讀取延遲（低至）：78 us
- 耐用性和可靠性：
- DW/D：0.8（讀取密集型），2（混合使用）
- 不可糾正的誤碼率 (UBER)：1 到 10 分之一th
- MTBF：2 萬小時
- 斷電保護 (PLP) 和端到端數據路徑保護
- 功能
- 128 NVMe 命名空間支持
- 可變扇區大小支持
- NVMe-MI 1.1（TCG Ruby 模型）
- 安全擦除、即時安全擦除和 TCG Ruby
- 環境：
- 工作功率狀態（最大）：12W
- 空閒功率狀態（典型值）：< 5W
- 工作溫度：0 至 70 °C 環境溫度，建議氣流
- 非工作溫度：-40° 至 85° C
- 5年有限保修
NVMe 驅動器進入企業市場已有一段時間了，傳統上阻礙其廣泛應用的最大障礙一直是成本，但現在已不再如此。 容量為 640TB 的 SN7.68 的零售價為 1,400 美元，而類似的 SATA SSD 為 1,200 美元。 低容量驅動器，如 SN640 960GB，售價 300 美元，而類似的數據中心級 SATA SSD 驅動器售價 260 美元。 換句話說 – 價格上漲約 16%，您將獲得性能更高的驅動器。 通過切換到 NVMe 驅動器，服務器可以處理需要快速響應時間的現代工作負載。 SATA 驅動器具有有限的帶寬和更高的延遲，無法有效地處理當今應用程序苛刻的存儲要求。
由於價格高昂，NVMe 驅動器在最初發佈時被歸類為小眾用例。 然而，現在，SN640 等較新的 NVMe SSD 已成為主流工作負載的存儲解決方案，例如支持虛擬機 (VM)、充當軟件定義存儲 (SDS) 的閃存緩存，甚至充當引導設備。 我們目前認為阻礙其更廣泛採用的一個缺點是服務器仍在努力追趕它們，而且並非所有服務器都能支持人們想要填充的 NVMe 端口數量。 如果確實如此，那麼服務器架構師需要合理地使用這一寶貴的資源（不是從成本的角度，而是從性能的角度），並確保盡可能明智地使用它們的性能。
測試數據
為了測量 Western Digital Ultrastar DC SN640 NVMe SSD 的性能，我們使用了配備 NVMe 兼容背板的行業標準 Dell EMC PowerEdge R740xd 服務器。 此服務器配置提供 12 個 NVMe 托架，我們從中使用了 8 個插槽。
測試環境：
- 8 個西部數據 Ultrastar DC SN640 NVMe SSD
- 8 個西部數據 Ultrastar SA210 SATA SSD
- Dell EMC PowerEdge R740xd 服務器，帶 12 個 NVMe 插槽（已使用 8 個）
- CPU 2 個英特爾® 可擴展鉑金 8280
- 內存 12 x 32GB DDR4-2933MHz
我們關注的基準測試是綜合工作負載，它著眼於向驅動器施加壓力以顯示其峰值帶寬或吞吐量數字，以及應用程序工作負載，這些工作負載顯示更多用戶可以期望的真實數據。 在這兩個領域中，我們的應用程序工作負載旨在更好地關注延遲性能。 對於這些測試，我們使用 CentOS 7 環境，為合成部分安裝了 VDBench，為我們的 SQL Server 和 MySQL™ Sysbench VM 安裝了 VMware ESXi™ 6.7u3。
為了更好地了解這些 NVMe 驅動器與 SATA SSD 的比較，我們對 Western Digital Ultrastar DC SA210 1.92TB SATA 驅動器進行了測試，並將它們與 3.84TB SN640 進行了比較。
下圖顯示，在每個類別中，Western Digital SN640 都大幅擊敗 SATA 驅動器。 在我們的 46K 875/4 隨機 IOPS 測試期間，這從我們的 Sysbench 平均延遲提高 70% 到出色的 30% 不等。
原始性能數據非常令人印象深刻，但我們想感受一下這將如何轉化為現實世界的條件。 我們首先研究了驅動器在周一早上處理 VDI 啟動風暴的能力。
SATA 驅動器的延遲迅速降低到需要大約 3 毫秒才能響應的程度，而 SN640 則繼續等待，延遲逐漸增加到剛剛超過 500 微秒，直到我們在略高於 150,000 IOPS 時停止測試。
然後我們運行了初始登錄測試，SATA 驅動器再次快速耗盡，而 Western Digital SN640 在我們的測試期間僅顯示延遲略有增加。
對於我們最終的真實世界測試，我們在驅動器上運行了 80/20 隨機讀/寫測試。 SATA 驅動器再次達到峰值，而 SN640 能夠通過廣泛的 IOPS 提供出色的性能。
SN640 不僅表現出極低的延遲，隨著 IOPS 數量的增加，它會出現可預測的小幅逐漸上升，而且該驅動器還在我們的測試期間提供了一致的服務質量。
結論
我們對 Ultrastar DC SN640 的測試證實，Western Digital 使用其最新的內部控制器、96L 閃存和固件，提供了一款主流的 NVMe SSD，它平衡了性能和功率，是一種具有成本效益的解決方案，可以一勞永逸地取代 SATA . NVMe 驅動器很快實現了每 IOPS 成本的平衡，我們預測未來會出現一個轉折點，在這個轉折點它們在容量基礎上具有成本競爭力，而我們現在正處於那個轉折點。 在隨意的價格比較中，我們發現 SN640 的每 GB 價格僅略高於 SATA/SAS SSD。 如上圖所示，從性能角度來看，根本沒有理由使用 SATA SSD 進行數據存儲。
Western Digital 長期以來一直是存儲技術的創新者，並處於存儲技術的前沿——這一成就延伸到了閃存驅動器。 Western Digital 的不懈創新體現在他們的 SN640 驅動器系列中，他們能夠利用其技術實力不僅從設備中提取卓越的性能，而且以極具吸引力的價格做到這一點。
Ultrastar SN640 可用作出色的網關驅動器，讓用戶擺脫上一代存儲並轉向基於 NVMe 的閃存。 數據清楚地表明，在為數據中心的各種工作負載集提供響應性能方面，NVMe 是前進的道路。 NVMe 驅動器不僅會提高當前工作負載（例如數據庫和虛擬化工作負載）的性能，而且它們還將數據中心定位為開始出現的要求更高的下一代工作負載，例如機器學習 (ML) 和人工智能 ( AI），這需要具有超低延遲和超高帶寬的存儲解決方案。
