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So können Sie von der Innovation bei Flash profitieren

Um das Optimale aus Flash herauszuholen, sind effizientere Software und schnellere Verbindungen nötig. So können Sie Ihr System sinnvoll ausbauen.

Flash-Storage-Systeme haben die Unternehmen verändert. Durch den Umstieg auf All-Flash-Arrays (AFA) wurden für den Moment fast alle Leistungsprobleme bei Storage beseitigt. Aber die Erwartungen der Anwender und die immer anspruchsvolleren Anwendungen werden den Leistungsbedarf bald wieder nach oben schrauben – ein Kreislauf ohne Ende.

Die Storage-Anbieter entwickeln ihre Systeme ständig weiter. Und es sind einige Innovationen zu erwarten, mit denen All-Flash-Arrays (AFA) mit den steigenden Anwendererwartungen Schritt halten können.

Flash beschleunigen

Der Schlüssel zur Beschleunigung von Flash hat wenig mit den Medien selbst zu tun, sondern mehr mit der Infrastruktur. In der Regel wird Flash mit steigender Kapazität langsamer, insbesondere bei Schreibzugriffen. Trotzdem ist die Leistung von Flash substantiell besser als die von Festplatten, auch noch immer sehr viel schneller und mit weniger Verzögerungszeit behaftet als die der Systemkomponenten rund um das Medium.

Flash-Anbieter müssen etwas daran ändern, dass die Medien, die so schnell und so latenzfrei sind, durch den Rest der sie umgebenden Solid-State-Lösung ausgebremst werden. Ob All-Flash-Drive oder All-Flash-Array – Hersteller müssen das Umfeld zu verbessern, damit die Leistung weiter steigt.

Hemmschuh CPU

Heutige Flash-Storage-Systeme bestehen vor allem aus Software und laufen meist auf Standard-Intel-Serverhardware. Das Zentrum dieser Hardware bildet der Zentralprozessor (CPU). Je schneller die CPU, desto schneller wird erstens die Software ausgeführt und zweitens das gesamte Flash-Array.

Tatsächlich ging es bei den meisten leistungssteigernden Upgrades von All-Flash-Arrays in den vergangenen drei oder vier Jahren vor allem um die Leistung der CPU, weniger um Verbesserungen der Storage-Medien.

Softwareanbieter müssen ihre Produkte daran anpassen, dass CPUs heute nicht mehr durch Steigerungen der Taktrate leistungsfähiger werden, sondern durch die Integration von mehr Rechenkernen in einen Prozessor.

Es gibt nur wenige Softwareanbieter, die vollen Nutzen aus der parallelen Abarbeitung mehrerer Befehlsschlangen, dem sogenannten Multithreading, ziehen. Nur dadurch aber kann man optimal von mehreren Kernen der Multicore-Prozessoren profitieren, auf denen die Software läuft.

Effizientere Storage-Services

Im Großen und Ganzen werden Storage-Systeme wegen ihrer Funktionen gekauft – insbesondere All-Flash-Storage-Systeme. Zusätzlich zu Standards wie Snapshots und Replizierung bieten die meisten All-Flash-Arrays kostensparende Funktionen wie Deduplizierung und Kompression. Hybride Flash-Storage-Systeme verschieben inzwischen Daten automatisch zwischen Flash und Festplatten. Irgendwann könnte es sein, dass alle Schichten eines mehrschichtigen Speichersystems, zwischen denen Daten migriert werden, aus unterschiedlich leistungsfähigen Flash-Varianten bestehen.

Das Problem besteht darin, dass diese Funktionen mehr Rechenleistung benötigen und meistens die Ein-/Ausgabelast erhöhen. Softwareanbieter arbeiten daran, die Effizienz ihrer Anwendungen zu steigern und so die Latenz zu verringern, die ihre Produkte in das gesamte Flash-Storage-System einbringen. Naheliegend ist dabei, Multicore-Prozessoren besser auszunutzen wie oben beschrieben. Zusätzlich müssen die Anbieter die Effizienz von Deduplizierung und Kompression steigern. Der Weg dahin führt größtenteils über ein verbessertes Management der Metadaten, die jede der beiden Funktionen erfordert.

NVMe: Schnellere Flash-Verbindungen

Eine anderes vielversprechendes Thema sind die Verbindungen innerhalb eines Flash-Arrays. Heute sind die meisten All-Flash-Arrays im Grunde Server, auf denen Storage-Software läuft. Die CPUs dieser Server sind an die Flash-Laufwerke in der Regel durch eine SAS (Software Attached SCSI)-Verbindung angebunden. Zwar bietet SAS viel Rohbandbreite, allerdings wurde die Technologie in der Festplatten-Ära und nicht für Flash entwickelt. Das bedeutet, sie nutzt Standard-SCSI-Protokolle, um SAS-Flash-Drives anzubinden.

Das SCSI-Protokoll erhöht die Latenz. Deshalb haben Anbieter schon länger nach etwas Besserem gesucht und teilweise proprietäre Protokolle entwickelt. Während diese proprietären Protokolle die Leistung verbessert haben, würde das Fortschreiben dieses Modells in die Zukunft bedeuten, dass man für die Flash-Systeme jedes Herstellers besondere Protokolle braucht.

Unternehmen müssten für jeden Server einen Treiber für jedes einzelne Modell eines Flash-Systems beschaffen, das der Server adressieren soll. Die Flash-Hersteller müssten auch Treiber für jedes Betriebssystem entwickeln.

Was Hersteller und IT-Spezialisten dagegen brauchen, ist ein Standardprotokoll zum Zugriff auf Flash-Storage-Systeme. Die Antwort der Industrie auf diesen Bedarf ist Nonvolatile Memory Express (NVMe), ein standardisiertes Protokoll, das spezifisch für Memory-basierte Storage-Technologie entwickelt wurde.

Die meisten Array-Anbieter haben entweder bereits NVMe-Versionen ihrer Produkte angekündigt oder werden dies demnächst tun.

NVMe optimiert den Software-I/O-Stack, indem für Flash überflüssige Komponenten des SCSI-Stacks nicht mehr enthält. Außerdem unterstützt das Protokoll mit 64000 erheblich mehr Warteschlangen (Queues) als Standard-SCSI.

Das veraltete Advanced Host Controller Interface (AHCI) konnte nur eine einzige Queue verarbeiten. Und da jede NVMe-Queue 64.000 Befehle abarbeiten kann (bei AHCI waren es 32 Befehle), dürfte ein NVMe-Laufwerk zwei- bis dreimal schneller arbeiten als Laufwerke, die über SAS- oder SATA-Verbindungen angebunden sind. Da es sich um einen Industriestandard handelt, sollten NVMe-Laufwerke eines Herstellers zudem mit denen anderer Hersteller zusammenarbeiten.

Die Anbieter von Flash-Drives bauen NVMe zügig in ihre Produkte ein. Die meisten Array-Anbieter haben entweder bereits NVMe-Versionen ihrer Produkte angekündigt oder werden dies demnächst tun. Damit sollte sich die Beweglichkeit von Daten innerhalb des Storage-Systems im Lauf des kommenden Jahres deutlich verbessern. Bei gemeinsam genutzten Storage-Systemen müssen die Daten allerdings noch immer ein Netzwerk durchqueren.

Die meisten wichtigen Anbieter von Netzwerktechnik einschließlich Brocade und Cisco haben angekündigt, NVMe over Fabrics (NVMe oF) zu unterstützen. Die Technologie kommt voraussichtlich in Versionen für Ethernet und Fibre Channel. Es wird länger dauern, bis dieser Standard in den Rechenzentren implementiert wird, aber innerhalb der nächsten Jahre werden viele Datenzentren darauf migrieren. Gut ist daher, dass die meisten Storage-Systeme, die in Zukunft auf den Markt kommen, den simultanen Zugriff über traditionelles SCSI und über NVMe unterstützen werden.

Derzeit aber steigt die Leistung von Verbindungen vor allem durch wachsenden Bandbreite und ihren intelligenteren Einsatz.

Flash DIMM

Die meisten NVMe-Produkte werden über die PCIe-Schnittstelle installiert. Allerdings können Storage-Memory-Anbieter auch den schnelleren Speicherbus selbst als Zugriffskanal nutzen. Während mehrere Verbindungen gemeinsam den PCIe-Bus nutzen, ist das einzige Gerät, das den Speicherbus verwendet, das Memory selbst. Selbstverständlich gehörte der Speicherbus bisher den dynamischen RAM-Speicherchips (DRAM). Doch inzwischen denken auch Flash-Hersteller darüber nach, wie sie diesen Hochgeschwindigkeitskanal zur CPU einsetzen können. Zwar ist ein Flash-DIMM langsamer als DRAM, allerdings hat ein DIMM-Baustein erheblich mehr Kapazität und ist viel billiger.

Hersteller liefern Flash-DIMM-Technologie heute in zwei Varianten: In einer Variante sieht Flash-DIMM wie ein Flash-Laufwerk aus und wird als Hochgeschwindigkeitsspeichergerät verwendet. Besonders gut geeignet ist eine solche Flash-DIMM-Implementierung für sehr aktive Files wie die Dateien für das virtuelle Memory-Paging.

In der zweiten Variante der Flash-DIMM-Technologie fungiert Flash-DIMM als Memory, um Storage damit zu ersetzen. Hier zeigen sich dieselben Vorteile (Speicherdichte und Kosten) und derselbe Nachteil (niedrigere Leistung als DRAM), der allerdings weniger wichtig ist, als man annehmen könnte. In den meisten Designs verhält sich das Flash-DIMM wie ein Cache des DRAM-DIMM. Neue Daten schreibt diese Lösung auf das DRAM und verlagert sie in einen großen Flash-Bereich, sobald Lesezugriffe auf sie erfolgen.

Der wichtigste Vorteil von Flash als System-Memory ist, dass etwa doppelt so viel Memory pro Server zu der Hälfte der Kosten implementiert werden kann. Diese Kombination ist ideal für moderne Scale-Out-Anwendungen wie Cassandra, Couchbase, Spark und Splunk. Die meisten dieser Umgebungen müssen irgendwie das exponentielle Wachstum der Knotenzahl managen. Aber dieses Wachstum ist eine Konsequenz der Memory-Knappheit, nicht fehlender CPU-Leistung.

Flash DIMM kann, in Server integriert, verhindern, dass sie bei Systemzusammenbrüchen Daten verlieren. Man stelle sich einen Server vor, der sich wie ein Laptop verhält: Bei Stromausfall wechselt er einfach in den Schlafmodus, statt Daten zu verlieren. Sobald wieder Strom fließt, geht die Arbeit da weiter, wo sie unterbrochen wurde.

Zum ersten Mal können Unternehmen mehr Flash-Leistung vorhalten, als Anwendungen und Nutzer derzeit brauchen. Aber das stimmt nicht für alle Applikationen. Mit dem steigenden Virtualisierungs-Grad von Umgebungen und der Skalierung von Applikationen wird dieser Leistungsüberschuss schnell wieder verschwinden.

Hersteller konzentrieren sich weiter darauf, die Leistung ihrer Systeme zu verbessern. Allerdings reicht es in Zukunft nicht mehr, einfach nur Flash in die üblichen Systemkonfigurationen einzubauen. Um Schritt zu halten, braucht man effizientere Software und verbesserte interne und externe Connectivity, wie in diesem Artikel beschrieben.

Was kommt nach Flash?

Flash-Memory ist nicht das letzte Entwicklungsstadium Memory-basierender Storage-Technologie. Man muss nur daran erinnern, dass DRAM noch immer schneller (speziell beim Schreiben) ist und eine längere Lebensdauer hat. Die größte Schwäche von DRAM ist seine Flüchtigkeit. Der nächste Schritt der Memory-Weiterentwicklung wird sein, DRAM in einen dauerhaften Datenspeicher umzuwandeln. Es gibt mehrere Technologien, um nichtflüchtiges Memory zu entwickeln, die miteinander im Wettbewerb stehen.

Eine von ihnen ist Intels 3D XPoint. Intel erklärt, dass 3D XPoint-Komponenten niedrigere Verzögerung, höhere Schreibleistung und eine längere Lebensdauer zum etwa doppelten Preis von Flash-Memory haben. Aber Intel ist nicht das einzige Unternehmen, das nichtflüchtige Memory-Produkte anbietet. Unternehmen wie Crossbar, Everspin und andere bringen ebenfalls Produkte auf den Markt.

Sind Festplatten tot?

Angesichts der Fortschritte bei Flash-Storage und der Beliebtheit dieser Technologie darf man durchaus nach der Zukunft der Festplatte fragen. Die meisten Flash-Anbieter sprechen inzwischen von Preisgleichheit zwischen ihren Flash- und HDD-basierten Systemen. Wenn eine Organisation ein Flash-Array zum Preis eines festplattenbasierten Systems kaufen kann, warum sollte sie sich dann noch für Festplatten entscheiden?

Erstens muss man sich den ersten Teil dieser Frage genau ansehen. Besteht tatsächlich Preisparität zwischen Flash- und HDD-Systemen? Beim Vergleich zwischen Flash und Hochleistungs-Festplatten-Arrays lautet die Antwort ja. Aber wenn man mit günstigen Festplatten hoher Kapazität vergleicht, gilt das im Allgemeinen nicht. Moderne Object-Storage-Systeme setzen problemlos Festplatten mit 8 TByte oder mehr Kapazität ein, können sie sogar deduplizieren und sind trotzdem weit günstiger als Flash-Systeme.

Sicher gibt es signifikante Leistungsunterschiede, aber für Archivdaten oder andere Daten, die ganz einfach nicht die Leistung eines Flash-Arrays brauchen, sind diese Systeme die kosteneffizientere Option.

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Artikel wurde zuletzt im Juli 2017 aktualisiert

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