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Flash ist nicht gleich Flash: was IT-Verantwortliche wissen sollten

Kein All-Flash-Array gleicht dem anderen. Die Unterschiede können sich auf die erhofften Optimierungen auswirken, wenn man sie ignoriert.

Flash steht im Rampenlicht der Speicherbranche, und das obwohl nach wie vor der Großteil der weltweit installierten Speichersysteme auf Festplatten basiert. Allerdings holt Flash rasant auf und ist mittlerweile nicht mehr Exot im Rechenzentrum, sondern „Mainstream“, wie 451 Research kürzlich festgestellt hat. Die amerikanischen Marktforscher erwarten, dass sich die Absatzzahlen im Vergleich zu 2014 in diesem Jahr verdoppeln werden und in den nächsten zwei bis drei Jahren die Hälfte aller Großunternehmen Flash einsetzt. Auch wird Flash für immer mehr Anwendungen eingesetzt, nicht mehr nur für leistungshungrige Datenbanken.

Flash ist in verschiedenen Formen von Speicher-Arrays erhältlich. Manchmal dient der schnelle Speicher als I/O-Beschleuniger für herkömmliche festplattenbasierte Systeme. In anderen Fällen wird er als einziges persistentes Speichermedium eingesetzt. Wann aber ist welche Option die bessere? Was kann Flash leisten und für welche Szenarien kommt die Technologie in Frage?

Speicher-Array ist nicht gleich Speicher-Array

Obwohl Flash natürlich auch ein Speichermedium ist, gleicht es Festplatten weder in Sachen Leistung, Lebensdauer noch Fehlerverhalten. Generell gibt es drei Varianten, wie die Technologie in Arrays zum Einsatz kommt:

  1. Hybrid-Arrays: Diese Systeme nutzen Flash als Cache oder I/O-Beschleuniger für die eingesetzten Festplatten. Flash erhöht die Leistung, indem es kürzlich geschriebene Daten zwischenspeichert und diejenigen Daten abholt und vorhält, für die eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie in nächster Zukunft abgerufen werden. (Anmerkung des Autors: Hybrid-Systeme sind aktuell die vorherrschenden Speicherlösungen.)
  2. Mit Flash aufgerüstete Festplatten-Arrays: In diesen Systemen werden Festplatten durch Solid State Drives (SSDs) ersetzt, die dann wiederum für einen Leistungsschub sorgen.
  3. All-Flash-Arrays (AFA): Diese Systeme sind von Grund auf dafür konzipiert, die Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit des Flash-Speichermediums zu nutzen und zu optimieren. Viele AFAs umfassen Merkmale, die man in festplattenbasierten Systemen selten findet oder die es dort schlichtweg nicht gibt. Dazu zählen Datenreduktion, keinerlei Leistungsverlust bei Ausfall oder Wartung, sowie fehlende Tuning-Optionen.

Flash und Festplatten haben völlig unterschiedliche Qualitäten. Während sich letztere dadurch auszeichnen, dass sie Daten kostengünstig speichern, muss für Flash (pro Gigagbyte) das Vier- bis Fünffache ausgegeben werden. 

Markus Wolf, Regional SE
Manager DACH,
Pure Storage

Während Flash Tausende von IOPS pro SSD ermöglicht, tun sich Festplatten schwer damit, mehr als Hundert IOPS pro HDD zu liefern. Also einfach ein bisschen Flash mit vielen Festplatten kombinieren, und voilà – schon hat man ein Hybrid-Array.

Wir verraten Ihnen einen Geheimnis: Die meisten Festplatten-Arrays, die in den letzten fünf Jahren auf dem Markt gekommen sind, sind eigentlich Hybrid-Arrays. Solange der aktive Datenbestand auf die Flash-Ebene passt, können Hybrid-Arrays hohe Leistung bringen.

Aber sobald es eine Leistungsspitze gibt – eine lange Datenbankanfrage, ein Backup oder ein Boot Storm in einer virtuellen Desktop-Infrastruktur – wird die Leistung enorm leiden, denn die Lese- und Schreibgeschwindigkeit von Festplatten ist sehr langsam (im zweistelligen Millisekundenbereich).

Ein All-Flash-Array kann Leistung mit einer Latenz kontinuierlich unter einer Millisekunde liefern, da sämtliche Daten auf Flash gespeichert sind. Es gibt weder ein Cache-Zufallsprinzip noch langsame Festplatten-Zugriffsraten.

Der Flash-Unterschied

Die Leistungsvorteile von Flash-Speicher sind mittlerweile hinlänglich bekannt: Die kurzen Latenzzeiten und die Fähigkeit, Hundertausende von IOPS zu liefern, sorgen dafür, dass virtuelle Desktop-Infrastrukturen (VDI) deutlich schneller reagieren, virtuelle Server-Umgebungen (VSI) berechenbarer und einfacher zu verwalten sind, und Datenbanken und Business Analytics-Anwendungen beschleunigt werden können.

Um diese Leistungsvorteile zu erzielen, gleichzeitig zuverlässig und auch erschwinglich zu sein, kann Flash-Speicher nicht wie mechanische Festplatten behandelt werden.

Gerade in Sachen Zuverlässigkeit ist beispielsweise das Fehlerverhalten der beiden Speichermedien völlig verschieden. Wenn man verfolgt, wie Flash sich in Bezug auf Bitfehlerraten abnutzt, dann kann man folgendes feststellen:

  • Bei Festplatten wird ein mechanischer Defekt durch Vibration, Spannungsschwankungen oder Hitze verursacht. Bitfehler treten häufig in hoher räumlicher Nähe auf und vermehren sich exponentiell im Verhältnis zur Kapazität.
  • Bei Flash-Speicher sind Bitfehler auf Abnutzung zurückzuführen (Program-Erase Cycle). Das Medium verschleißt einfach mit der Zeit. Zunächst ist nur noch das Lesen der Daten möglich, dann folgt der komplette Ausfall. Die Rate der nicht-korrigierbaren Bitfehler bleibt dagegen bei Festplatten relativ konstant in Bezug auf die Anzahl der Schreibvorgänge.

Bei Flash sind Lesevorgänge umsonst und die Schreibvorgänge teuer – das entgegengesetzte Verhalten zu einer Festplatte. Die Lese- und Schreibvorgänge sind in hohem Maß asymmetrisch, denn es braucht viel mehr Zeit, eine Flash-Zelle zu löschen und wieder zu beschreiben, als sie zu lesen. Wenn man also ein Speichersystem konzipiert, das auf Flash basiert, ist diese Asymmetrie der Schlüssel, um eine berechenbare, hohe Leistung zu gewährleisten. Man will die Anzahl der Schreibvorgänge minimieren und sich nicht um die Lesevorgänge kümmern müssen.

Datenreduktion macht Flash konkurrenzfähig

Das Geheimnis des All-Flash-Array Erfolgs liegt in der Entwicklung von Technologien zur Datenreduktion, die gleich zwei Themen adressieren.

Zum einen wird dadurch die Anzahl der Schreibvorgänge minimiert. Wie bereits erwähnt ist das die Voraussetzung für die hohe Leistung und Lebensdauer von Flash. Zum anderen wechselt Flash damit auch wirtschaftlich auf die Überholspur: Denn wenn man den Preis pro Gigabyte betrachtet, kostet Flash trotz des rapiden Preisverfalls nach wie vor mehr im Vergleich zu Festplattenspeichern.Aber moderne AFAs neutralisieren diese Diskrepanz, indem sie einfach die Kapazität reduzieren, die benötigt wird, um Daten zu speichern.

  1. Datendeduplizierung: sorgt dafür, dass jeder Datenblock, der auf dem Array gespeichert wird, ein Unikat ist.
  2. Datenkomprimierung: reduziert die Kapazität, die benötigt wird, um jeden dieser einzelnen Datenblöcke zu speichern.
  3. Thin Provisioning: In Kombination mit unterstützenden Verfahren wie Speicherplatzrückgewinnung (SCSI t10 UNMAP) und Zero oder Pattern Removal sorgt die schlanke Speicherzuweisung dafür, dass Speicherkapazität nur von aktiven Applikationen und Nutzerdaten verwendet wird, und nicht von Volumenmanagern, Formatierungen und gelöschten Daten.

Flash-Arrays entfernen also sämtlichen Abfall und alles Überflüssige, das sich beim Speichern auf Festplatten automatisch anhäuft. So ermöglichen es All-Flash-Arrays Unternehmen, ihre Datenbanken zu beschleunigen, um daraus Geschäfts- und Wettbewerbsvorteile zu ziehen und mobile Nutzer mit der hohen Reaktionsgeschwindigkeit der VDI-Umgebung glücklich zu machen. Sie sorgen dafür, dass Clouds (also VSI-Umgebungen) einfach bereitgestellt und betrieben und selbst die anspruchsvollsten, geschäftskritischen Aufgaben erledigt werden können. Die Vorteile für Datenbanken und VDI- und VSI-Umgebungen sind unübersehbar.

All-Flash-Rechenzentrum kommt

Nachdem die Preishürde gefallen ist und All-Flash-Speichersysteme heutzutage so viel kosten wie Festplatten, ist es also kein Wunder, dass Unternehmen Festplattensystemen den Rücken kehren und der Ansturm auf Flash gerade an Fahrt gewinnt. Es kann nur eine Frage der Zeit sein, bis das alternative Medium als Volumenspeicher zum Beispiel für seismische Analysen, Konstruktion und CAD, Big Data Analytics oder das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zum Einsatz kommt.

Die Analystengruppe 451 Research sieht durch den Preisverfall einen Vorteil für All-Flash-Systeme und auch Pure Storage ist optimistisch, was die Zukunft des All-Flash-Rechenzentrums betrifft. Warum sollten Unternehmen für den gleichen oder sogar niedrigeren Preis auf die Einfachheit und die operativen Einsparungen verzichten, die sich durch eine gleichbleibend hohe Leistung ergeben? Die nächsten Jahre werden es zeigen.

Über den Autor:
Markus Wolf ist Regional SE Manager DACH bei Pure Storage

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Artikel wurde zuletzt im Oktober 2015 aktualisiert

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