Компоненты компьютера и их назначение
Все мы знаем, что компания BAUM занимает разработкой Систем Хранения Данных (СХД). Но что это такое? Для ответа на этот вопрос стоит начать с основ – строения любой вычислительной техники. Неважно, говорим мы о компьютерах, ноутбуках, планшетах, мобильных телефонах или даже серверах – все они имеют схожие компоненты и архитектуру.
Начнем с предназначения – любой компьютер предназначен для обработки каких-то данных. Неважно, говорим мы о таблице с важными для компании информацией или о фотографиях котят – все это данные. С точки зрения компьютера это просто набор нулей и единиц, с которыми что-то необходимо сделать – обработать, сохранить или передать на другое устройство. Для простоты предлагаю такую аналогию: данные – это сырые продукты. Перед употреблением их надо как-то обработать. Тогда компьютер – это кухня, на которой трудится повар, который превращает продукты в необходимые для нас блюда.
Теперь давайте разберем стандартную архитектуру и компоненты, из которых она состоит. В первую очередь стоит упомянуть центральный процессор (CPU). По сути, это сам повар, который занимает приготовлением блюд (обработкой данных). Он может совершать огромное количество операций за короткий промежуток времени, одновременно занимаясь и обработкой, и передачей данных. У него есть свои параметры: как быстро он может обработать одну операцию (тактовая частота), как много операций он может выполнять одновременно (количество ядер) и объем данных, который он может хранить внутри себя для обработки (объем кэш-памяти процессора).
Следующий компонент – это оперативная память (RAM). Продолжая аналогию с кухней, можно сказать, что это рабочая поверхность повара, стол перед ним. Перед тем, как начать готовить, повар выкладывает на стол все необходимые ингредиенты. Это позволяет ему получить к ним быстрый доступ, но если продукты оставить на столе – они испортятся. Все это справедливо и для оперативной памяти. Процессор для ускорения обработки помещает сюда данные, но в случае отключения устройства все, что хранилось в оперативной памяти, будет стерто. Ключевой характеристикой для оперативной памяти является ее объем – как много данных она может вместить.
Но где хранить данные на длительный срок? Для этого в компьютерах используются различные виды накопителей: от механических до твердотельных. По сути, это холодильники, в которых продукты могут храниться длительное время без риска преждевременной “кончины”. Из плюсов – неограниченно долгое хранение данных, даже при отключении устройства. Из минусов – до таких “холодильников” надо дойти, то есть скорость доступа к хранящимся там данным значительно меньше, чем к данным в оперативной памяти.
В наше время большая часть данных не хранится локально, внутри компьютера, а передается через локальные сети и интернет. Для взаимодействия с ними в компьютере используются сетевые интерфейсы или сетевые карты. По сути это компонент, позволяющий получать данные извне, его основной характеристикой является скорость передачи, измеряемая в гигабайтах в секунду.
Зная все эти основные компоненты, мы можем описать стандартный цикл работы любого компьютера: центральный процессор берет данные из локальных накопителей или сетевых интерфейсов, для ускорения копирует их в оперативную память, после чего занимается их обработкой. Результат обработки в зависимости от задачи может быть записан обратно на локальные диски (пример: изменение документа), передан через сетевой интерфейс (пример: отправить электронное письмо) или просто выведен на экран (пример: открыть фото из интернета).
Итак, теперь вы знаете, что любой компьютер состоит из стандартного набора компонентов:
- Центральный процессор (CPU) – отвечает за обработку данных и вычисления.
- Оперативная память (RAM) – отвечает за временное и быстрое хранение данных для их последующей обработки.
- Накопители (HDD/SSD) – отвечают за долгосрочное и надежное хранение данных.
- Сетевые интерфейсы (NIC) – отвечают за обмен данными с внешними устройствами, локальными сетями и интернетом.
А какой процессор у вас: с монитором или без?
Накопители и их производительность
Так как основное назначение СХД это надежное и бесперебойное хранение данных, то одним из ее ключевых компонентов являются накопители. Чтобы понять многие нюансы применяемых технологий, их назначение и отличия, необходимо подробно изучить основные виды накопителей. На текущий момент выделяют 3 основных типа корпоративных накопителей:
- Механические накопители (SAS HDD). Также можно встретить названия шпиндельные накопители, классические диски или просто диски.
- Твердотельные накопители (SAS SSD). Также можно встретить названия флеш-накопители, классические ССД. Некоторые называют их флэш-дисками, но это некорректное название.
- NVMe накопители (NVMe SSD).
Все эти накопители имеют свои сильные и слабые стороны, но для бизнеса в первую очередь важны следующие параметры:
- объем хранимых данных (сколько данных можно записать на накопитель), измеряющийся в Гигабайтах (Гб) и Терабайтах (Тб)
- скорость доступа к данным (сколько операций на чтение или запись в секунду может выполнить накопитель), измеряемая в количестве операций на чтение и запись (IOPS)
- задержка при обращении к данным (какая задержка возникает перед выполнением накопителем каждой команды на чтение или запись), измеряется в миллисекундах (ms)
Теперь можно подробнее разобрать каждый тип.
SAS HDD
Одна из самых старых технологий изготовления корпоративных накопителей, доживших до наших дней. В основе своей использует принцип, похожий на виниловые пластинки: внутри накопителя находятся намагниченные металлические диски, вращающиеся с большой скоростью. По ним передвигается специальная головка, которая считывает информацию, записанную на диски.
Максимальный объем хранимой информации зависит от количества физических дисков внутри накопителя. Объемы текущих корпоративных механических накопителей варьируются от 800-1200 Гб до 10-20 Тб. Некоторые производители выпускают механические накопители объемом 30Тб, но в проектах они используются крайне редко.
Скорость доступа зависит от скорости вращения дисков. Чем быстрее вращается диск – тем больше операций он может обработать в секунду. При этом есть прямая связь между емкость механического накопителя и скоростью вращения его дисков. К примеру, диски большого объема (от 2 Тб) вращаются со скоростью 7200 оборотов в минуту. Это позволяет такому накопителю обрабатывать порядка 100-120 IOPS.
Задержки у механических накопителей также зависят от скорости вращения его дисков. Чем быстрее вращение – тем меньше задержка. У дисков малого объема (до 1200 Гб) скорость вращение дисков составляет 15’000 оборотов в минуту, что приводит к задержкам порядка 2 ms. У дисков большого объема (от 2 Тб) скорость вращение дисков составляет 7’200 оборотов в минуту, что приводит к задержкам порядка 4 ms.
Самым главным преимуществом механических дисков долгое время являлась их стоимость хранения. Если мы возьмем условную цену диска в 100$ и разделим ее на его объем в 20Тб, то получится, что стоимость хранения данных за 1 Тб составит 5$. При этом цена за IOPS будет составлять 0,83$. Такие накопители приобретают для хранения большого объема данных, если нет никаких жестких требований по скорости доступа к ним и размеру задержек.
SAS SSD
Появившаяся относительно недавно (~10-15 лет назад) технология уже успела завоевать корпоративный рынок. Для простоты понимания технологии можно очень грубо ее упростить: внутри накопителя находится большое количество флеш-чипов (как персональные USB-накопители). Нет никаких движущихся элементов, а запись данных происходит путем подачи напряжения на каждый флеш-чип. Отказ от механического принципа записи (ничего не вращается) позволил сделать прорыв в скорости доступа к данным. А так как сами чипы намного меньше, чем намагниченные металлические диски, то и разместить их внутри одного накопителя можно намного больше.
Максимальный объем хранимой информации зависит от количества флеш-чипов внутри накопителя. Объемы текущих корпоративных твердотельных накопителей варьируются от 400 Гб до 20-30 Тб.
Скорость доступа зависит от технологии производства и расположения флеш-чипов. Нет смысла упоминать их все, но важно понимать, что скорость доступа у SAS SSD варьируется в диапазоне от 200’000 до 400’000 IOPS. То есть разница с механикой больше чем в 100-1000 раз!
Задержки у твердотельных накопителей также зависят от технологии производства. В среднем принято считать, что у корпоративного твердотельного накопителя задержки составляют ~0,1 ms.
Самым главным преимуществом твердотельных накопителей является их стоимость за IOPS. Если мы возьмем условную цену диска в 100$ и разделим ее на его скорость в 100’000 IOPS, то получится что стоимость за 1 IOPS составит 0.001$. При этом объем такого накопителя уже сравнялся с механическими, что ставит перед заказчиками логический вопрос, нужны ли вообще ему механические диски. Такие накопители на сегодняшний день доминируют на рынке за счет оптимального соотношения стоимости хранения и стоимости производительности. Слабым местом же является их относительно высокая задержка.
NVMe SSD
И совсем недавно вышедшая на рынок технология – NVMe SSD накопители. История их возникновения достаточно проста и логична. SAS SSD накопители, которые были предшественниками NVMe, общались с процессором с использованием тех же команд, что и SAS HDD. Если очень сильно упрощать, то процессор каждый раз отправлял твердотельным накопителям большое количество избыточных и ненужных команды – повернуть диск, сместить считывающую головку и так далее. Но у твердотельных накопителей нет механических элементов. И тогда было принято решение разработать новый набор команд, который будет учитывать архитектуру именно твердотельных накопителей. Так появились NVMe: за счет оптимизированного набора команд и другой технологии подключения они получили бОльшую скорость доступа и заметно более низкие задержки, чем SAS SSD.
Максимальный объем хранимой информации зависит от количества флеш-чипов внутри накопителя. Объемы текущих корпоративных NVMe накопителей варьируются от 240 Гб до 10-15 Тб, при этом стоимость за Гб значительно выше, чем у классических SSD.
Скорость доступа зависит от технологии производства и расположения флеш-чипов. В флагманских моделях она может достигать 1’000’000-1’500’000 IOPS.
Задержки NVMe накопителей считаются самыми минимальными среди всех возможных типов на рынке на сегодняшний день и составляют всего 0,01 ms.
Самым большим недостатком NVMe накопителей является их цена, в том числе из-за архитектурных и технологических ограничений их использования. Если SAS HDD и SAS SSD являются взаимозаменяемыми и совместимы с любым корпоративным оборудованием и софтом, то для работы с NVMe SSD требуется специализированное оборудование и программное обеспечение. Но в проектах, где требуются максимальная скорость и минимальные задержки, цена уже не имеет особого значения.
Отслеживать