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Energy Saving: SSDs im Server (1)

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denevaNeben der reinen Performance eines Produktes hat sich in den letzten Jahren der Stromverbrauch als ein Kernkriterium in der Bewertung herauskristallisiert. Dies ist zu verstehen, letztendlich zahlt man bei stromfressenden Komponenten nachträglich drauf. Während im Desktop-Bereich der Blick bei stromsparenden Komponenten besonders auf CPUs und Grafikkarten fällt und man sich dazu ein möglichst effizientes Netzteil aussucht, gibt es im Serverbereich weitere Komponenten, die besonders relevant sind - unter anderem auch das Storage-Subsystem.

In drei Artikeln wollen wir in den nächsten Wochen auf das Thema SSD im Server eingehen und hier insbesondere die Auswirkungen bei der Performance und dem Energiebedarf in das Blickfeld rücken. Das SSDs auch im Serverbereich einen besonderen Einfluss auf die Performance haben, kann sich jeder denken, denn was im Desktop-Bereich schnell ist, ist natürlich auch im Server schnell. Interessant wird es dann aber gerade beim Stromverbrauch.

Die Tests werden wir mit besonderen, für den Serverbereich ausgelegten SSDs durchführen. Hierfür haben wir vier OCZ Deneva R MLC SSDs mit je 200 GB ins Labor geholt, die uns für den Leistungsvergleich zur Verfügung stehen. In diesem ersten Teil der Artikelserie wollen wir zunächst einmal die OCZ Deneva etwas genauer anschauen und mit einer Standard-SSD vergleichen. Zudem werfen wir bereits einen Blick auf den Stromverbrauch und schauen, was im Desktop-Bereich an Stromsparpotential durch eine SSD erreichbar ist.

OCZs Deneva basieren dabei auf dem SandForce-1500-Controller.


Die wichtigsten Eckdaten der OCZ Deneva SSD sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

Die OCZ Deneva ist in diversen Konfigurationen erhältlich - mit SAS-Interface, als SATA-II-Version, als Variante mit MLC-Flash und als Variante mit SLC-Flash. Hier existieren also diverse Konfigurationsmöglichkeiten, die sich auch hinsichtlich des Preises massiv unterscheiden. Das günstigste Deneva-Laufwerk ist die Deneva C mit 60 GB Kapazität für knapp 160 Euro, das teuerste Modell die Deneva R SLC mit 200 GB und SAS-Interface für knapp 3000 Euro.

Wir wählten für den Test das Mittelmaß: Aufgrund des Einsatzbereiches bei uns und der guten Write Amplification der SandForce-Controller haben wir uns für ein MLC-Drive entschieden, was den Preis deutlich günstiger gestaltet. Unser RAID-Controller kann zwar auch mit SAS-Drives umgehen, wir wählten aber ein SATA-II-Interface, da diese SSDs etwas weniger Strom verbrauchen und zudem das Interface für die gebotene Leistung vollkommen ausreichend ist. Als Kapazitäts-Vorgabe wählten wir ein 200-GB-Modell, da uns im RAID-10 mit vier SSDs letztendlich ca. 350 GB Kapazität zur Verfügung stehen sollten. Unsere Wahl fiel also auf die Deneva R MLC mit 200 GB, die knapp 650 Euro kosten. Die SSDs melden sich unter der Kennung DENRSTE251M3X-0200.

SATA-II, MLC - was macht das Drive nun aber so teuer, wenn im Vergleich ein SATA-II-Laufwerk mit MLC-Flash und einem SandForce-1200-Controller im Handel deutlich weniger kostet? Letztendlich bekommt man so eine Vertex 2 mit 200 GB ja bereits für knapp 300 Euro. Der Controller macht hier den feinen Unterschied - denn es ist ein SandForce-1500-Controller verbaut, der zwar viele Gemeinsamkeiten mit dem 1200er hat, aber auch ein paar Unterschiede, welche die SSDs im Serverumfeld gut gebrauchen können.

 

Der SandForce-1500-Controller im Vergleich

Ein paar Kennzeichen, was der Controller im Vergleich zu seinem kleineren Bruder kann, gibt OCZ bereits in der Beschreibung zu den Deneva-SSDs. Im Endeffekt ist der Controller aber physikalisch derselbe, die Unterschiede liegen also beim Board-Layout, den verwendeten Flash-Speicherchips und der Firmware des Controllers. Weiterhin gibt SandForce an, dass man auch beim Herstellungsprozess die SandForce-1500-Modelle wohl ausführlicher validieren würde, um eine höhere Haltbarkeit gewährleisten zu können.

Verbesserte ECC-Handhabung

Zunächst einmal besitzt der SF-1500 eine andere Handhabung bei der ECC-Korrektur. Der SF-1500 besitzt eine Bitfehlerrate von 10-17, die normalen SF-1200 nur 10-16. Im Endeffekt bedeutet dies eine um den Faktor 10 verbesserte Fehlerrate, der SF-1500 hat somit einen Bitfehler auf 100.000.000.000.000.000 übertragene oder geschriebene Bits. Entsprechend tritt ungefähr alle 113 TB ein Übertragungsfehler auf. Schon der SF-1200 wäre hier mit 11 TB aber sicherlich bedenkenlos einsetzbar. 

Power-Failure-Protection

Wichtiger für den Server-Einsatz ist der zweite Punkt, denn im Server-Bereich ist die Konsistenz der Daten sehr wichtig. Neben Bitfehlern und ähnlichen Dingen sollte im Serverbereich aber auch ausgeschlossen werden, dass ein Schaden durch einen Stromausfall auftritt. Bei SF-1200-Laufwerken sind die Daten, die sich im Cache des Controllers befinden, nicht geschützt - fällt der Strom aus, sind diese Daten verloren. Durch sogenannte "SuperCap Protection Circuitry", also einen aufgeladenen Kondensator, wird sichergestellt, dass entsprechende Daten im Cache des Controllers bei einem Stromausfall noch auf den Flash-Speicher geschrieben werden können. Es handelt sich hier also um eine Art "Mini-Battery-Backup-Unit" auf einer SSD. Neben den physikalischen Veränderungen am PCB-Design kommt auch eine Änderung in der Firmware hinzu, damit die SF-1500-Laufwerke das Sicherheitsfeature unterstützen.

Sonstige Veränderungen

OCZ bietet bei den Laufwerken der SF-1500-Klasse eine 3-jährige Garantie. Die Haltbarkeit drückt sich auch im MTBF-Wert aus: Hier gibt SandForce für die Laufwerke auf der Basis des SF-1500-Controllers eine MTBF von 10 Millionen Stunden statt 2 Millionen Stunden beim SF-1200 an. Umgerechnet bedeutet dies, dass bei 10 Millionen Laufwerken eines in jeder Stunde ausfällt, bei den SF-1200-Modellen wären es fünf. Die SF-1500-Modelle besitzen auch deshalb einen höheren MTBF-Wert, da SandForce davon ausgeht, dass die Consumer-Drives nicht 24/7 arbeiten, sondern nur ein paar Stunden am Tag.

Ein Vorteil des SF-1500, den SandForce eigentlich vorgesehen hatte, ist mittlerweile hinfällig: Man plante durch eine besondere Firmware-Version die Write-Performance der langsameren SF-1200-Modelle auf 10k IOPS zu begrenzen, die schnelleren SF-1500-Modelle sollten 30k IOPS besitzen. Diese Abgrenzung wurde aber mittlerweile durch diverse beschleunigte Firmware-Versionen der SF-1200-Modelle aufgeweicht.

Einen kleinen Nachteil hat der SF-1500 aber auch: Statt mit 550 mV läuft der Controller angeblich mit 950 mV Spannung - zumindest bei der OCZ Deneva konnten wir im Vergleich zu einer G.Skill-SSD mit SandForce 1200 aber keinen Verbrauchs-Unterschied feststellen.

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In anderen Bereichen unterscheiden sich die Laufwerke mit SandForce SF-1500 und SF-1200 nicht: Im Gegensatz zu anderen Controller-Herstellern verzichtet man bei SandForce komplett auf einen externen Cache – üblicherweise kommen mindestens 16 MB an Cache zum Einsatz, bei Samsung sind es sogar 128 MB. Ganz ohne Cache arbeiten aber auch die SandForce-Controller nicht, ein kleiner Zwischenspeicher befindet sich nämlich direkt im Controller. Um eine höhere Schreibleistung zu erhalten und gleichzeitig die Lebensdauer des Flash-Speichers zu erhöhen, setzen die SandForce-Controller eine transparente Komprimierung ein, es muss also weniger in den Flashspeicher geschrieben werden, sodass man effektiv eine höhere Schreibgeschwindigkeit erreicht. Die Komprimierung erfolgt wie gesagt transparent, sodass man als Endanwender nichts davon mitbekommt. Insbesondere bleibt die verfügbare Kapazität der SSD immer gleich und ändert sich nicht je nach Komprimierungsgrad der Daten.

Die Tatsache, dass weniger in den Speicher geschrieben werden muss, hat noch einen weiteren positiven Effekt: Die niedrigere Haltbarkeit des MLC-Speichers wird so zumindest teilweise ausgeglichen. Diese Technik besitzt leider einen (offensichtlichen) Nachteil, denn sind die Daten bereits komprimiert, ist diese Technik wirkungslos. Die Daten werden aber nicht nur komprimiert, sondern zusätzlich auch noch verschlüsselt in den Speicher geschrieben. Das soll es schwieriger machen, sensible Daten direkt aus den Flashbausteinen auslesen zu können. In wie fern das für Heimanwender interessant ist, sei dahingestellt. Nicht zuletzt gibt es auch noch andere Möglichkeiten, seine Daten zu schützen. Der Vorteil hier ist selbstverständlich, dass die Verschlüsselung keine zusätzliche Leistung kostet.

Die für SSDs ungewöhnlichen Kapazitäten von 100 bzw. 200 GB rühren daher, dass SandForce mehr Flash als alle anderen Hersteller „beiseitelegt“, um immer genügend freie Blöcke zur Verfügung zu haben (warum das wichtig ist, haben wir bereits hier erläutert). Dies ist natürlich auch beim Enterprise-Modell von Vorteil.

flash

OCZ verwendet für das vorliegende Deneva-Laufwerk Intel-Flash-Chips:
Die 29F16B08JAMDB sind Intel 32nm 16GB NAND-MLC-Flash-Speicherchips

Teil 1: Test der Deneva gegen ein SF-1200-Drive und eine Festplatte

In einem Video haben wir unsere Testergebnisse zum Deneva-Laufwerk zusammengefasst. In diesem ersten Teil geht es hauptsächlich darum, den SF-1500- mit einem SF-1200-Laufwerk zu vergleichen. Weiterhin schauen wir auch auf den Stromverbrauch der SSDs im Vergleich zu einer Festplatte.

Bei den Leistungsmessungen stellen wir keine Unterschiede zwischen einer G.Skill Phoenix Pro 120 GB mit SandForce SF-1200-Controller und der OCZ Deneva R mit SandForce SF-1500-Controller fest. Die Schreib- und Leseraten sind fast auf identischem Niveau, nur bei kleineren 4k-Blöcken hat der SF-1500 eine leicht bessere Performance. Hier zeigt sich also die Ähnlichkeit der Technik beider Controller. Mit 270 bis 280 MB/s Maximalwert fürs Schreiben und lesen bei Atto bestätigt OCZs Deneva R auch die tatsächlich angegebene Herstellerperformance.

In unseren Verbrauchsmessungen kam das Testsystem mit der OCZ Deneva R beim Idle-Betrieb auf einen Wert von knapp 69 Watt. Unter I/O-Last stieg der Stromverbrauch des Systems auf ca. 76 bis 77 Watt an, wobei hier auch ein Großteil aufgrund der höheren CPU-Last konsumiert wird. Zum Vergleich verwendeten wir eine Velociraptor-Festplatte von Western Digital, die im Idle-Betrieb 73 Watt verbrauchte (+4 Watt) und im Last-Betrieb auf 80 bis 81 Watt kam (ebenfalls +4 Watt).

 

Fazit

In einem ersten kleinen Fazit halten wir fest: Schaut man nur auf die Performance, so kann der SandForce SF-1500-Controller sich nicht vom SF-1200 abheben - aber das war uns schon vorher bekannt. Der Test bestätigt aber, dass im Desktop-Bereich eigentlich keine SSD mit Enterprise-Technik eingesetzt werden muss. Sowohl MLC-Flash wie auch ein normaler Controller reichen vollkommen aus.

Im Server-Bereich machen sich andere Techniken bemerkbar: Hier ist eine längere Haltbarkeit gefragt, auch die Data-Loss-Protection in Form des Zusatzkondensators sind interessante Features. Beides bietet der SandForce SF-1500, auch die Verwendung von MLC-Flash stellt uns aufgrund der Controller-Features nicht vor Probleme. Letztendlich sieht es im Desktop-Bereich zwar so aus, als würden die Laufwerke nur minimal Energie sparen, denn im Vergleich zu der schnellen Velociraptor-Platte konnten wir nur vier Watt einsparen - im Server-Bereich kommen aber auch wiederum andere Festplatten zum Einsatz. Nicht selten verbraucht eine SAS-Festplatte mit 15.000 Umdrehungen zwischen 10 und 15 Watt - und in den meisten Fällen kommt nicht nur eine einzelne Festplatte, sondern gleich vier oder mehr zum Einsatz. Insofern wird der zweite Teil unseres Tests interessant, wo wir die OCZ Denevas im Serverbereich einsetzen werden.

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Viele Leser werden sicherlich fragen: Warum kein SandForce aus der neuen SF-2xxx-Serie? Natürlich gibt es auch hier bereits entsprechende Enterprise-Modelle, aber diese wurden gerade erst vorgestellt. In der Regel ist davon auszugehen, dass gerade nach dem Start eines Produktes noch diverse Firmware-Updates zu erwarten sind, die zwar im Privatbereich durchaus "mal eben" durchgeführt werden können, aber bei einem Server im Produktivbetrieb alles andere als trivial zu managen sind. Aus diesem Grund haben wir uns erst einmal für die SandForce SF-1500-Modelle entschieden, da diese hinsichtlich ihrer Performance für uns eine absolut ausreichende Leistung erzielen können. Die Mehrperformance, die die schnelleren SF-2xxx-Modelle liefern, würde bei uns leer verpuffen.

Somit gehen wir lieber auf die "sichere Variante" - zumal die neueren Laufwerke auch noch deutlich mehr kosten.

Im nächsten Teil werden wir einen unser älteren Server ausbauen und die vier Deneva SSDs im Server-Umfeld betrachten.

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