Comparación de rendimiento de las soluciones RAID 5 para SSD PCIe Gen 5 NVMe

Por 24 de abril de 2023 julio 11th, 2023 Noticias

SupremeRAID™ vs RAID de software vs RAID de hardware.

La 5ª Generación de PCIe es nueva, acaba de lanzarse recientemente y proporciona importantes beneficios de rendimiento para los servidores, así como un mejor rendimiento, confiabilidad y eficiencia para los SSD. Desde GRAID Tech se ha hecho una comparación de rendimiento de soluciones RAID 5 para SSD PCIe 5.0 NVMe.

Los resultados de estas pruebas demuestran que con SupremeRAID, los clientes pueden obtener todos los beneficios de PCIe 5.0 y la protección de datos de nivel empresarial sin sacrificar el rendimiento de SSD .

Resumen ejecutivo

SupremeRAIDde Graid Technology ofrece una opción alternativa para agregar protección de datos RAID a SSD de alto rendimiento instalados en servidores. Un beneficio principal de elegir SupremeRAID en lugar de RAID de hardware y software es preservar y utilizar más rendimiento SSD disponible. La eficiencia extremadamente alta permite que el rendimiento de RAID 5 se mantenga en o cerca de los niveles teóricos (que se muestran como barras de color azul oscuro en el gráfico a continuación) cuando se utiliza SupremeRAID. Sin embargo, hasta el 97% del rendimiento total de SSD se desperdicia y no está disponible cuando se utiliza hardware o software RAID 5.

Contexto

La quinta generación de la interfaz PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) se conoce como PCIe 5.0 (Generación 5). Admite velocidades máximas de transferencia de datos que son 2 veces más rápidas que PCIe 4.0 y 4 veces más rápidas que PCI 3.0. Existe un gran interés en aprovechar este mayor rendimiento porque permite que los servidores manejen más datos simultáneamente, lo que lleva a un mejor rendimiento del sistema y un procesamiento de datos más rápido. . Otros beneficios de PCI 5.0 incluyen capacidades que mejoran la confiabilidad y la estabilidad de la interfaz PCIe, reducen el tiempo de inactividad y aseguran que los servidores permanezcan operativos incluso en entornos de alta demanda. Los ejemplos incluyen nuevas funciones como la corrección de errores de reenvío y el margen de carril.

Ancho de banda PCIe 5.0

PCIe 5.0 mejora significativamente el rendimiento del servidor y la unidad de estado sólido (SSD) en comparación con las generaciones anteriores, especialmente cuando se combina con los protocolos NVMe (memoria rápida no volátil). Juntos, pueden alcanzar velocidades de lectura y escritura de hasta 14 gigabytes por segundo (GB/s) o más. PCIe 5.0 mejora significativamente con respecto a PCIe 4.0 con hasta 7 GB/s y PCIe 3.0 con hasta 3,5 GB/s.

PCIe 5.0 PCIe 4.0 PCIe 3.0
Ancho de banda máximo * 14 GB/s 7 GB/s 3,5 GB/s
* Rendimiento típico con SSD NVMe.

El mayor rendimiento de PCIe Gen 5 puede ser particularmente beneficioso para las aplicaciones que requieren acceso a datos de gran ancho de banda, como la informática de alto rendimiento, el análisis de big data y la inteligencia artificial.

Opciones de RAID para SSD PCIe 5.0 NVMe

Históricamente, ha habido dos opciones para agregar protección de datos RAID a SSD instalados en servidores. Una opción agrega RAID usando software que se ejecuta en la CPU del sistema (unidad central de procesamiento) y la otra agrega RAID usando hardware que se ejecuta en tarjetas complementarias personalizadas con procesadores dedicados. Una tercera opción, SupremeRAID, agrega RAID mediante software que se ejecuta en tarjetas complementarias de GPU (unidad de procesamiento gráfico) estándar.

SupremeRAID cuenta con una arquitectura única de ruta fuera de los datos y utiliza la potencia informática de la GPU para el procesamiento de datos RAID. Libera todo el potencial de PCI 5.0 NVMe, especialmente cuando se utiliza la protección de datos RAID 5. Elegir SupremeRAID permite a los clientes que compran sistemas PCIe 5.0 experimentar el retorno de la inversión (ROI) que esperaban al invertir en SSD NVMe compatibles.

A continuación, se muestran los resultados de las pruebas de rendimiento de SupremeRAID con un servidor PCIe 5.0 y varias SSD PCIe 5.0 NVMe y software RAID 5, hardware RAID 5 y SupremeRAID RAID 5.

Pruebas comparativas

Componentes de hardware

El hardware seleccionado para la evaluación comparativa consta de elementos disponibles comercialmente, incluido
un servidor ASUS RS520A-E12-RS24U, un procesador AMD EPYC 9334 de 32 núcleos, doce DRAM Micron MTC40F2046S1RC48BA1 y dieciséis SSD Kioxia CM7.

Rendimiento de referencia del sistema

Las pruebas de rendimiento establecen el rendimiento de un sistema con 16 SSD PCIe 5.0 NVMe. Los resultados de lecturas y escrituras secuenciales coinciden con el rendimiento agregado de dieciséis SSD. Sin embargo, el rendimiento para lecturas y escrituras aleatorias es inferior al rendimiento agregado de dieciséis SSD debido al impacto de la latencia cuando se usan tamaños de I/O pequeños.

Tipo IO (8 trabajos, 64 profundidad) Rendimiento del sistema probado*
Lectura secuencial 128 KB 231 GB/s
Escritura secuencial 128 KB 112 GB/s
Lectura aleatoria 4KB 16 millones de IOPS
Escritura aleatoria 4KB 7 millones de IOPS
* Rendimiento sin protección de datos RAID.

Resultados de rendimiento

Resultados de rendimiento de hardware RAID 5

Las pruebas sugieren que el hardware RAID es demasiado lento para administrar dos o más SSD PCIe 5.0 sin pérdidas de rendimiento significativas. Elegir hardware RAID presenta cuellos de botella de rendimiento inevitables porque los SSD se conectan a una tarjeta adicional. Por lo general, implica conectar varios SSD con interfaces PCIe de 4 carriles a una tarjeta adicional con una interfaz PCIe de 8 o 16 carriles. Las tarjetas complementarias RAID de hardware típicas son compatibles con PCIe 4.0, lo que reduce aún más el rendimiento.

Tipo IO
(8 trabajos, 64 profundidad)
Rendimiento RAID teórico Rendimiento RAID de hardware Eficiencia RAID de hardware *
Lectura secuencial 128 KB 233 GB/s 14,5 GB/s 6%
Escritura secuencial 128 KB 113,8 GB/s 4,29 GB/s 4%
Lectura aleatoria 4KB 16 millones de IOPS 3,5 millones de IOP 22%
Escritura aleatoria 4KB 3,5 millones de IOPS 108 k IOP 3%
* Más alto es mejor, y 100% es el máximo.

Como se muestra en la Figura 1, el rendimiento del almacenamiento se ve afectado negativamente por RAID de hardware porque las lecturas y escrituras fluyen a través del procesador en la tarjeta adicional. El ancho de banda está limitado a la velocidad de conexión entre la tarjeta adicional y el servidor. El ancho de banda comprometido puede ser particularmente problemático en entornos de alta demanda, como los centros de datos, donde incluso los retrasos menores pueden afectar significativamente el rendimiento general del sistema.

Figura 1: rendimiento de RAID de hardware frente a RAID teórico

Resultados de rendimiento de software RAID 5

Las pruebas sugieren que el software RAID (p. ej., Linux mdadm/mdraid) es demasiado lento para administrar dos o más SSD PCIe 5.0 sin pérdidas de rendimiento significativas. Una excepción son las lecturas secuenciales que provocan un cuello de botella en una mayor cantidad de SSD, incluso cuando se usan servidores con muchos núcleos de CPU.

La elección de software RAID evita el uso de tarjetas complementarias, pero da como resultado la ejecución de software y cargas de trabajo RAID junto con hipervisores, sistemas operativos, bases de datos, aplicaciones y servicios. En otras palabras, el rendimiento de las cargas de trabajo del servidor, como las bases de datos y las aplicaciones, puede verse afectado durante los períodos de gran actividad de almacenamiento.

Tipo IO
(8 trabajos, 64 profundidad)
Rendimiento RAID teórico Rendimiento RAID de software Eficiencia RAID de software
*
Lectura secuencial 128 KB 233 GB/s 114,8 GB/s 49%
Escritura secuencial 128 KB 113,8 GB/s 5 GB/s 3%
Lectura aleatoria 4KB 16 millones de IOPS 2,8 millones de IOP 17%
Escritura aleatoria 4KB 3,5 millones de IOPS 355 k IOP 10%
* Más alto es mejor, y 100% es el máximo.

Como se muestra en la Figura 2, el rendimiento del almacenamiento se ve afectado negativamente por el software RAID porque las lecturas y las escrituras fluyen a través de los núcleos del procesador del servidor. El ancho de banda y las IOPS son mucho más lentos que la velocidad agregada de los SSD, aunque los SSD permanezcan conectados al servidor.

Figura 2: rendimiento de RAID de software frente a RAID teórico

Resultados de rendimiento de SupremeRAID RAID 5

Ahora comparemos la versión más reciente de SupremeRAID (software v1.3.1) con los SSD conectados al servidor. El rendimiento de lectura secuencial coincide con la línea de base del sistema debido a la arquitectura única de ruta fuera de datos de SupremeRAID™. Sin embargo, el rendimiento de escritura secuencial requiere que se escriban datos de paridad adicionales, lo que da como resultado una velocidad de 90 GiB/s. El rendimiento de lectura aleatoria puede coincidir con la línea de base del sistema aprovechando la potencia informática de las GPU. Mientras tanto, el rendimiento de escritura aleatoria de 4k alcanza 1,9 millones de IOPS debido al mecanismo de lectura, copia y escritura.

Tipo IO
(8 trabajos, 64 profundidad)
Rendimiento RAID teórico Rendimiento SupremeRAID Eficiencia SupremeRAID*
Lectura secuencial 128 KB 233 GB/s 233 GB/s 100%
Escritura secuencial 128 KB 113,8 GB/s 96,6 GB/s 85%
Lectura aleatoria 4KB 16 millones de IOPS 16 millones de IOP 100%
Escritura aleatoria 4KB 3,5 millones de IOPS 1,9 millones de IOP 54%
* Más alto es mejor, y 100% es el máximo.

Como se muestra en la Figura 3, SupremeRAID es muy eficaz para preservar el rendimiento de las SSD PCIe Gen 5 NVMe. El rendimiento teórico y real es similar para lecturas secuenciales grandes, escrituras secuenciales grandes y lecturas aleatorias pequeñas. Si bien el rendimiento difiere más ampliamente para pequeñas escrituras aleatorias, SupremeRAID™ aún logra aproximadamente la mitad del rendimiento teórico.

Figura 3: Resultados de rendimiento de SupremeRAID frente a RAID teórico

Conclusión

PCIe 5.0 promete beneficios de rendimiento significativos para los servidores al permitir tasas de transferencia de datos más rápidas, rendimiento de I/O mejorado, mayor densidad de carriles, mejor eficiencia energética y mayor confiabilidad. Además, PCIe 5.0 representa un avance significativo en la tecnología SSD al ofrecer rendimiento, confiabilidad y eficiencia mejorados. Estos beneficios se combinan para ayudar a mejorar el rendimiento general del sistema, reducir los costos operativos y garantizar que los centros de datos puedan manejar las demandas de las aplicaciones informáticas modernas.

Sin embargo, agregar protección de datos a SSD PCIe 5.0 NVMe requiere una alternativa a los cuellos de botella de rendimiento inevitables del uso de hardware o software RAID. Con SupremeRAID, los clientes pueden disfrutar de los beneficios de PCIe 5.0 y protección de datos de nivel empresarial sin sacrificar el rendimiento de SSD.

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