NVMe vs SSD vs HDD: які накопичувачі вибрати для роботи VPS

Правильний вибір пристрою для зберігання даних на сервері VPS може підвищити продуктивність його роботи і заощадити кошти на оренді. Такий вибір, перш за все, повинен узгоджуватися з призначенням і кінцевою метою використання VPS-сервера – для гри, зберігання даних, глибокого навчання моделей ШІ або, наприклад, для розсилки поштових повідомлень. Для кожної з цих цілей може бути обраний один з поширених видів накопичувачів – SSD на NVMe / SATA інтерфейсах або традиційний «жорсткий» диск HDD. Розглянемо основні характеристики зазначених накопичувачів і можливі варіанти їх застосування. 

Різниця між NVMe SSD і HDD

Порівняння накопичувачів почнемо з розгляду принципу їх роботи та основних характеристик:

•     Продуктивність – вимірюється швидкістю запису і зчитування;
•     Щільність запису – визначає обсяг інформації, записаної на одиницю площі поверхні накопичувача;
•     Термін служби;
•     Економічна ефективність;
•     Переваги;
•     Недоліки;
•     Рекомендації щодо застосування.

«Жорсткий» диск HDD з інтерфейсом SATA

Накопичувач HDD (Hard Disk Drive), або вінчестер, є історично першим електромеханічним накопичувачем, який знайшов широке застосування в якості пристрою зберігання даних в цифровій техніці. Принцип його роботи заснований на використанні фізичного явища електромагнітної індукції, коли при зміні електричного струму змінюється магнітне поле і навпаки. Це дозволяє записувати інформацію на матеріали, покриті магнітною речовиною, а потім зчитувати її за рахунок перетворення магнітних потоків в електричні імпульси.

Конструктивно HDD-диски виконані у вигляді набору металевих пластин з магнітним покриттям, що обертаються на одній осі і керуються дисковим мікроконтролером. Запис і зчитування інформації здійснюється за допомогою магнітних головок, зафіксованих біля краю поверхні пластин.

Характеристики HDD обумовлені принципом його роботи, типом використовуваного інтерфейсу, а також конструктивними особливостями конкретної моделі. Наприклад, для моделі Seagate BarraCuda SATA з ємністю 3 ТБ зафіксовані наступні дані продуктивності:

Швидкість запису HDD – 174,4 МБ/сек;

Швидкість зчитування HDD – 175, 2 МБ/сек.

Щільність запису HDD-дисків постійно зростає і на сьогоднішній день вже досягла 3,3-7,75 Тбіт/см², що дозволяє отримувати накопичувачі ємністю близько 60-100 ТБ, що не так вже й мало на сьогоднішній день. І це не межа. Це стало можливим завдяки розвитку технологій багаторівневого магнітного запису із застосуванням термомагнітного запису HAMR (Heat-assisted magnetic recording).

Термін служби HDD-диска багато в чому визначається конструктивними особливостями та інтенсивністю його використання, але в офіційних гарантіях виробників зазвичай вказується 5 років безперервної (цілодобової) роботи. Однак це не означає, що після закінчення цього терміну диск перестає працювати, просто може дещо збільшитися відсоток відмов накопичувача, що властиво будь-якій електроніці. У разі щадної інтенсивності роботи термін служби може становити 20 років і більше з поступовим зниженням рівня продуктивності. При цьому записані дані не спотворюються і нікуди не пропадають.

Економічна ефективність HDD визначається ціною 1 ГБ інформації, яка для цього виду накопичувачів є найкращою.

Переваги HDD проявляються лише в разі їх правильного застосування. До них відносяться: висока щільність запису; висока економічна ефективність; передбачуваний термін використання; можливість гарячої заміни; надійне довготривале зберігання даних.

Недоліки HDD в основному обумовлені технологією запису / зчитування інформації та їх конструктивними особливостями. До них в першу чергу відносяться: наявність рухомих деталей, які чутливі до пошкоджень і вимагають обережності в процесі експлуатації пристрою; необхідність обслуговування; шум при роботі; невисока швидкість запису / зчитування даних. 

Рекомендації щодо застосування HDD базуються на їх властивостях і можуть бути такими: використання для холодного зберігання в ЦОД; резервного копіювання; зберігання інсталяційних дисків, медіафайлів та архівів ігор; домашні NAS-сховища; для довгострокового зберігання великих обсягів даних, які тимчасово не використовуються. Взагалі ж, HDD-накопичувачі завжди підійдуть там, де дотримується принцип: один раз записав – багато разів зчитуй.

SSD з інтерфейсом SATA

Накопичувачі SSD (Solid-State Drive) або твердотільні запам'ятовуючі пристрої немеханічного типу є альтернативою HDD і мають перед ними переваги в продуктивності та деяких інших експлуатаційних характеристиках.

На Малюнку 1 показана схема взаємодії основних компонентів ССД з інтерфейсом SATA і контролером. Ми бачимо, що в якості основної пам'яті тут використовується один з видів енергонезалежної пам'яті типу NAND (швидка флеш-пам'ять). Дані передаються через контролер SATA, що займає якийсь час на їх обробку.

Малюнок 1. Структурна схема SSD-накопичувача з інтерфейсом SATA.

Розглянемо характеристики цього типу накопичувача. Для моделі Samsung SSD 850 EVO SATA зафіксовані наступні показники швидкості його роботи, а значить, продуктивності:

Швидкість запису SSD SATA – 532,7 МБ/сек;

Швидкість зчитування SSD SATA – 553, 8 МБ/сек.

Щільність запису SSD SATA дещо поступається HDD-дискам, з кожним роком скорочуючи цей розрив за рахунок використання багаторівневих комірок пам'яті. 

Термін служби SSD SATA залежить від характеристик використовуваних комірок пам'яті і обмежується кількістю циклів запису / зчитування інформації, яке в середньому може становити 800-2000 циклів, що приблизно відповідає 5-6 рокам безперервної роботи пристрою. Однак після закінчення цього терміну надійність зберігання інформації різко падає – вона може з часом спотворюватися і навіть бути втраченою.   
Економічна ефективність SSD SATA помітно поступається вінчестерам і може бути в 5-6 разів нижчою. Правильне застосування накопичувачів може зменшити цей розрив.

Переваги SSD SATA: висока швидкість запису / зчитування; безшумна робота; не потрібне обслуговування; середня ціна за прийнятну продуктивність; можливість гарячої заміни.

Недоліки SSD SATA: невеликий термін служби, який залежить від моделі пристрою і зменшується при збільшенні щільності запису / зберігання даних. 

Рекомендації щодо застосування SSD SATA: високошвидкісна альтернатива для HDD-дисків; RAID-масиви; для VPS-серверів з частими зверненнями до даних.

SSD з інтерфейсом NVMe

Використання SSD-дисків з інтерфейсом NVMe (Non-Volatile Memory Express) дозволяє істотно збільшити загальну продуктивність пристрою зберігання даних у порівнянні з SATA. Тут задіюється слот PCI Express, що має максимальну пропускну здатність і, відповідно, меншу затримку переданих даних. Різниця між nvme і ssd SATA полягає в тому, що останній містить контролер.

На Малюнку 2 наведено схему взаємодії компонентів SSD з інтерфейсом NVMe. Можна переконатися, що тут відсутній контролер, і тому дані передаються в пристрій безпосередньо. У цьому випадку швидкість передачі буде визначатися виключно можливостями PCI-шини і процесора.    

Малюнок 2. Структурна схема SSD-накопичувача з інтерфейсом NVMe.

Розглянемо характеристики NVMe-накопичувача. Для моделі Samsung 970 EVO NVMe зафіксовані такі показники швидкості:

Швидкість запису SSD NVMe  – 1519,4 МБ/сек;

Швидкість зчитування SSD NVMe – 3539, 5 МБ/сек.

Щільність запису SSD NVMe має ті ж показники, що і для будь-яких інших твердотільних SSD-дисків.

Термін служби SSD NVMe, як і для SATA, визначається характеристиками комірок пам'яті.

Економічна ефективність SSD NVMe невелика через високу ціну за 1 ГБ зберігання, тому зазвичай застосовується в умовах високих навантажень. 

Переваги SSD NVMe для VPS-сервера: дуже висока продуктивність при читанні / запису; поставляється в різних форматах – для масового використання (M.2) і для ЦОД (U.2) – підтримує гарячу заміну на nvme vps і не тільки; має всі переваги SSD-дисків.  

Недоліки SSD NVMe: дуже дорогий; має ті ж недоліки, що й інші SSD-диски.

Рекомендації щодо застосування SSD NVMe: для установки в ЦОД; для додатків з частими зверненнями до даних – ОС, СУБД, ігри; швидкий vps хостинг сайтів з високими робочими навантаженнями.

Порівняння швидкості накопичувачів

На Малюнку 3 наведено діаграму середніх значень швидкостей запису і зчитування даних для розглянутих нами раніше моделей накопичувачів.

Малюнок 3. Діаграма порівняння швидкості роботи дискових накопичувачів.  

З діаграми видно, що найменше значення швидкості має SATA HDD-диск – 174,8 МБ/сек. Середню позицію займає SATA SSD із середнім значенням швидкості – 543,25 МБ/сек. Найбільше значення швидкості має диск NVMe SSD – 2529,45 МБ/сек. Звичайно, для інших моделей накопичувачів показники швидкості будуть дещо відрізнятися, але в цілому їх співвідношення буде приблизно однаковим: 1/3,1/14,4 (HDD/ SATA SSD/NVMe SSD). 

Де NVMe дає найбільший приріст

Як ми вже з'ясували, найбільший виграш SSD NVMe диски дають в загальній продуктивності роботи накопичувача – в швидкості запису / читання даних. Причому найкращий результат показує операція читання, більш ніж в два рази перевершуючи швидкість запису даних. Тому такий пристрій з успіхом підійде для всіх високонавантажених проектів – швидкий vps хостинг сайтів, розподілена розробка веб-додатків на NVMe VPS-сервері, робота з базами даних, ігрові додатки і будь-які проекти, де потрібне часте звернення до даних.