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Flash wird schneller, aber die Infrastruktur muss mitwachsen

Neue Geschwindigkeits-Vorteile durch Flash lassen sich nur erzielen, wenn die umliegenden Komponenten schneller werden. NVMe und DIMM können helfen.

Flash-Storage hat die Unternehmen verändert. Es hat zahlreiche Geschwindigkeitsproblem behoben, zumindest für den Moment. Aber die Ansprüche der Nutzer und der Anwendungen wachsen ebenfalls und das Rennen zu mehr Geschwindigkeit hört niemals auf.

Die Anbieter wissen das und bereiten zahlreiche Innovationen vor, um Flash noch schneller zu machen.

Das Beschleunigen von Flash betrifft aber nicht so sehr die eigentlichen Medien, sondern die zugrundeliegende Infrastruktur. Tatsächlich ist in letzter Zeit sogar etwas langsamer geworden: Die höhere Kapazität der Laufwerke belastet die I/O-Leistung vor allem bei Schreiboperationen.

Immerhin ist aber die Geschwindigkeit um Längen besser als die von Festplatten und hat weniger Latenzen als die Komponenten, die die Medien umgeben.

Es ist eine Herausforderung für die Hersteller von Flash-Laufwerken, dass die Medien selbst so schnell und latenzfrei sind, dass sie von ihrer Umgebung ausgebremst werden. Egal ob es sich um Flash-Laufwerke oder vollständige All-Flash-Arrays handelt, die Infrastruktur muss besser werden.

Der Prozessor

Die heutigen Flash-Systeme sind in erster Linie Software und laufen normalerweise auf Standard-Intel-Server-Hardware. Das Herzstück dieser Hardware ist der Prozessor (CPU).  Je schneller der Prozessor, desto schneller wird die Software verarbeitet und desto schneller scheint das All-Flash-Array zu sein. Tatsächlich sind die meisten Verbesserungen an All-Flash-Arrays in den letzten drei bis vier Jahren mehr durch schnellere CPUs als durch die eigentlichen Medien erfolgt.

Das Problem für die Storage-Anbieter besteht darin, dass die CPUs nicht so sehr durch rohe Geschwindigkeit als durch höhere Kapazität leistungsfähiger werden. Nur wenige Hersteller verwenden Multithreading, um korrekt auf die Prozessorkerne in der Hardware direkt zuzugreifen. Diejenigen, die das tun, haben Vorteile durch hohe Leistung mit weniger CPUs erreicht und sind kostengünstiger.

Effektivere Storage-Services

Storage-Systeme hängen von ihren Funktionen ab und das gilt insbesondere für All-Flash-Systeme. Zusätzlich zu Standardfunktionen wie Snapshots und Replizierung bieten die meisten All-Flash-Arrays auch Deduplizierung und Kompression. Hybride Flash-Storage-Systeme verlagern Daten automatisch zwischen Solid-State-Disks (SSDs) und Festplatten. Eine ähnliche Verlagerung wird es bald auch zwischen verschiedenen Flash-Typen geben.

Das Problem liegt darin, dass jede dieser Funktionen einen erheblichen Overhead erfordert und sich dies auf die I/O-Leistung auswirkt. Die Softwarehersteller arbeiten daran, ihre Anwendungen effizienter zu machen, um die Latenz der Flash-Systeme zu reduzieren. Ein Lösungsweg liegt in der Nutzung von Multikernprozessoren, wie oben geschildert. Die Verbesserung kann hauptsächlich mit einer besseren Metadatenverwaltung dieser Funktionen erzielt werden.

NVMe sorgt für schnellere Verbindungen

Die Verbindungen sind außerdem ein Ansatzpunkt für Beschleunigung. Heute sind die meisten All-Flash-Arrays eigentlich Server, auf denen Storage-Software läuft. Diese Server enthalten CPUs, die über SAS-Verbindungen mit den Laufwerken in Kontakt gebracht werden. SAS sorgt zwar für hohe Bandbreiten, wurde aber für Festplatten entwickelt und nicht für Flash-Laufwerke. SAS verwendet Standard-SCSI-Protokolle zur Anbindung von Flash-Laufwerken.

Das SCSI-Protokoll sorgt für Latenz und deswegen suchen die Hersteller nach besseren Alternativen. Einige haben proprietäre Protokolle entwickelt. Diese können zwar für Beschleunigung sorgen, aber wenn sich dies fortsetzt, braucht jedes Flash-Laufwerk einen eigenen Treiber für jedes Betriebssystem und Umgebung.

Ein gemeinsamer Standard für ein auf Flash zugeschnittenes Protokoll ist also auf jeden Fall vorzuziehen. Die Branche hat sich dazu auf den NVMe-Standard (Nonvolatile Memory Express) geeinigt.

NVMe entfernt den unnötigen Overhead, den SCSI erzwungen hat. Außerdem unterstützt es mehr Queues als SCSI, und zwar bis zu 64.000. Jeder NVMe Queue kann bis zu 64.000 Befehle abarbeiten. Dies bedeutet, dass NVMe zwei- bis dreimal schneller ist als SAS oder SATA. Da es ein Branchenstandard ist, ist NVMe kompatibel mit den Angeboten anderer Hersteller.

Die meisten Hersteller erkennen diese Vorteile und wollen ihre Lösungen schnell auf NVMe umstellen. Das sollte zu einem erheblichen Geschwindigkeitsgewinn im Laufe des nächsten Jahres führen. Für Shared-Storage-Systeme gibt es aber immer noch das Netzwerk zu überbrücken.

Die meisten Netzwerkhersteller einschließlich Cisco und Brocade wollen den Standard NVMe over Fabrics (NVMe oF) unterstützen. NVMe oF wird es wahrscheinlich sowohl für Fibre Channel als auch für Ethernet geben. Es wird einige Jahre dauern, bis sich NVMe oF in den Rechenzentren durchsetzt. Die meisten Produkte, die bis dahin auf den Markt kommen, werden sowohl SCSI als auch NVMe unterstützen.

Die Konnektivität kann sowohl von größerer Bandbreite als auch intelligenterer Nutzung dieser Bandbreite profitieren.

Flash DIMM

Die meisten NVMe-Laufwerke nutzen derzeit noch PCIe-Anbindungen. Aber es gibt noch eine schnellere Art, an Speicher heranzukommen. Das ist der Memory-Bus selbst. Der PCIe-Bus ist ein Shared-Bus, der für eine Reihe von Verbindungen genutzt wird. Der Memory-Bus nutzt dagegen ausschließlich Speicher. Bisher war der Memory-Bus das Vorrecht von DRAM. Aber nun werfen auch die Flash-Hersteller einen scharfen Blick auf den Memory-Bus, um eine schnelle Verbindung zum Hauptspeicher zu schaffen.

Flash DIMM ist zwar langsamer als DRAM, bietet aber eine höhere Kapazität per DIMM und ist günstiger.

Die Anbieter haben zwei Varianten von Flash DIMM konzipiert. In der ersten Form sieht Flash DIMM wie ein Flash-Laufwerk aus und wird als Hochgeschwindigkeits-Storage-Gerät genutzt. Dies ist ideal für sehr aktive Dateien wie virtuelle Memory Paging Dateien.

Die zweite Variante nutzt das DIMM als Speicher statt als Storage. Es hat dieselben Vorteile bei Kapazität und Kosten, aber der Nachteil der geringeren Leistung gegenüber DRAM fällt nicht so sehr ins Gewicht. Das Flash DIMM wirkt als Cache des DRAM DIMM.

Neue Schreibvorgänge werden auf das DRAM geschrieben und dann auf die größere Flash-Fläche übertragen, wenn es wieder gelesen wird.

Der wichtigste Vorteil von Flash als Systemspeicher liegt darin, dass potentiell doppelt so viel Speicher pro Server zum halben Preis adressiert werden kann. Diese Kombination ist ideal für moderne Scale-Out-Anwendungen wie Cassandra, Couchbase, Spark und Splunk. Die meisten dieser Umgebungen leiden unter dem Wildwuchs von Knoten, die es zu verwalten gibt. Aber dieser Wildwuchs wird mehr durch den Speichermangel, weniger durch die Prozessorleistung verursacht.

Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet von Flash DIMM ist es, dass Datenverluste bei einem Systemabsturz verhindert werden. Der Server handelt dann ähnlich wie ein Notebook und wird einfach in den Ruhezustand versetzt, wenn der Strom ausfällt. Wenn die Leitung wieder angeschlossen wird, macht das System einfach weiter, wo es aufgehört hat.

Fazit            

Erstmals haben Unternehmen die Chance, mehr Flash-Leistung bereitzustellen, als die meisten Anwender und Applikationen jemals benötigen werden. Aber einige Anwendungen haben einen noch größeren Speicherhunger. Und die Virtualisierung schreitet ebenso voran und die Ansprüche wachsen und deshalb wird irgendwann auch die Leistung eingeholt werden.  

Es wird immer schwerer, zusätzliche Leistung herauszukitzeln. Dafür sind effektivere Software, bessere interne und externe Verbindungen und Schnittstellen gefragt.  

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Artikel wurde zuletzt im März 2017 aktualisiert

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