Flash-Management ist wichtig für IT-Profis, wird aber noch vernachlässigt

Die Lebensdauer und die Performance von SSDs lassen sich mit Flash-Management verbessern. Für Storage-Profis beinhaltet dies wichtige Funktionen.

Flash-Speicher bringt viele Vorteile für das Rechenzentrum, nicht zuletzt natürlich in Sachen Performance. Dass sich die Performance erhöht, führt auch zu größerer Dichte des Speicherplatzes und zu geringerem Energieverbrauch. Aber Flash hat auch ein paar Nachteile.

Zuerst gibt es ein fortlaufendes Problem mit der Haltbarkeit. Es gibt ferner Bedenken darüber, wie es sich mit konsistenter Performance unter starker Belastung verhält. Die Aufgabe eines Flash-Controllers besteht in der Flash-Verwaltung, so dass die Medien so lang wie möglich halten und die Performance so konsistent wie möglich bleibt. Während sich viele NAND-Flash-Produkte sehr ähneln, wird es doch Unterschiede darin geben, wie sie das Flash-Management handhaben. Diese Unterschiede zu verstehen ist entscheidend dabei, das richtige Flash-System für das eigene Unternehmen auszuwählen.

Flash hat immer ein Haltbarkeitsproblem. Egal um welchen NAND-Typus es sich handelt, er kann nur eine bestimmte Anzahl von Schreibzyklen ausführen, bevor seine Lebensdauer endgültig zu Ende ist. Das Haltbarkeitsproblem wird sogar schlimmer in dem Maß, wie die Technologie voranschreitet. Obwohl 3D-NAND TLC-Flash eventuell kostengünstiger ist als SLC-Flash, ist es weit weniger haltbar.

Storage-Systeme und Flash-Management

Um dies besser bekämpfen zu können, haben sowohl Hersteller von Flash-Management als auch von Speichersystemen Fähigkeiten zu ihren Produkten hinzugefügt, um Flash langlebiger zu machen.

Auf der Seite der Storage-Systeme verlängern Features wie große Flash-Kapazität, Deduplizierung und Komprimierung die Flash-Lebenszeit. All-Flash-Arrays und hybride Arrays mit einem großen Flash-Anteil tragen ganz einfach zur Verlängerung bei, weil sie mehr Flash-Kapazität zur Verfügung stellen. Mehr Flash-Kapazität führt dazu, dass sich die Abnutzungserscheinungen von Flash breiter verteilen – was zu einem durchschnittlich längeren Lebenszyklus führt.

Wie gesagt, benutzen Speichersysteme auch Technologien wie Deduplizierung und Komprimierung, die durch ihre effizientere Ausnutzung des Speicherplatzes die Lebenszeit von Flash verlängern. Wenn diese effizienten Technologien in-line, also während der Entstehung der Daten, angewandt werden, eliminieren sie einige der potentiellen Schreibprozesse, die auf Flash laufen. Wenn zum Beispiel ein System beim gemeinsamen Einsatz von Deduplizierung und Komprimierung eine Einsparrate vom Faktor 5 anbietet, kann man davon ausgehen, dass die Flash-Drives fünfmal länger halten sollten als ohne diese Technologie.

Controller-Technologie bei Flash

Die meisten der zuvor erwähnten Speichersysteme benutzen Formfaktoren für Flash-Drives, auch als Solid-State Drive (SSD) bekannt. Jede SSD besteht aus vielen Flash-NANDs und jede SSD verfügt über ein Modul für Flash-Management, auch als Flash-Controller bezeichnet. Der wurde dazu entwickelt, die nutzbare Lebenszeit der SSD zu verlängern. Flash-Controller können diese Aufgabe mit Methoden erfüllen, die Flash-Systeme so nicht besitzen. Die erste Priorität eines Flash-Controllers betrifft die Nivellierung des Verschleißprozesses (Wear Leveling), um sicherzustellen, dass die Schreibprozesse gleichmäßig über alle Flash-Zellen hinweg stattfinden. Ohne diese Nivellierungstechnologie würden einige NAND-Zellen auf einer SSD häufiger beschrieben und schneller kaputtgehen als andere.

Flash-Controller setzen Wear Leveling zusammen mit einem anderen, den Lebenszyklus verlängernden Feature ein: Over-Provisioning. Die SSD-Hersteller bauen zusätzliche Flash-Kapazität in jede SSD ein, die vom Rest des Flash-Systems nicht erkannt wird. Der Flash-Controller benutzt dann diese überschüssige Kapazität als Bestandteil seiner Wear-Leveling-Maßnahmen. Weil es mehr Flash-Zellen für die Schreibprozesse gibt, bietet die SSD eine höhere Schreibdauer an – auf Kosten der gesamten SSD-Kapazität.

Die meisten SSD-Hersteller geben den Prozentsatz an Flash vor, der für Over-Provisioning reserviert ist. Vor kurzem haben es einige Flash-Hersteller den Kunden erlaubt, selbst den Anteil von Flash für Over-Provisioning zu bestimmen. Mit diesem Feature sind IT-Profis in der Lage, die Eigenschaften des Drives an bestimmte Umstände anzupassen. Zum Beispiel kann man bei Flash-SSDs, die für schreibintensive Workloads vorgesehen sind, die Einstellung für Over-Provisioning höher ansetzen, um hier die Lebensdauer der SSDs zu vergrößern. Im alternativen Fall von SSDs, die für eine leseintensive Anwendung vorgesehen sind, kann man den Anteil von Over-Provisioning sehr niedrig ansetzen, um die Flash-Kapazität zu erhöhen und die Kosten zu senken.

Eine andere Fähigkeit von neuen Flash-Controllern besteht darin, detaillierter Flash-Sektoren anzuzeigen, die für Schreibprozesse ausgefallen sind. Eine grundsätzliche Funktion eines Flash-Controllers ist die Anzeige der Flash-Bereiche, die verwaltet werden: Wenn eine Zelle ausfällt, wird sie als read-only markiert. Jedoch kommt es manchmal vor, dass einige funktionierende NAND-Bereiche als schlecht bezeichnet werden, was Verschwendung von Kapazität bedeutet. Moderne Flash-Controller arbeiten genauer und heben nur exakt jene Zellen hervor, die schlecht geworden sind und sparen so Flash-Kapazität.

Eine SSD steht unter sehr hoher Beanspruchung, wenn sie mit einer großen Anzahl von eingehenden Schreibprozessen konfrontiert ist. Während dieser Zeit lädt der Flash-Controller die Zelle mit höherer Spannung auf, so dass der Schreibvorgang schneller beendet wird. Neue Flash-Controller können die I/O-Zuteilung überwachen und bei geringerer I/O-Verfügbarkeit langsamer schreiben und den Ladevorgang der Zelle verlangsamen. Eine solche Vorgehensweise sollte zu einem längeren SSD-Lebenszyklus führen.

Die Performance verbessern

Flash-Controller machen sogar mehr, als nur die Haltbarkeit der Drives zu erhöhen. Sie können auch die Performance verbessern.

Eine Methode, mit der Flash-Controller bessere Performance liefern können, besteht im Zwischenspeichern des I/O im RAM der SSD. Das Schreiben auf Flash verläuft wesentlich langsamer als das Lesen. Das Zwischenspeichern im RAM führt zu schnelleren Schreibprozessen und der Flash-Controller kann das RAM für eine bessere Organisation des Schreibens auf Flash nutzen. Außerdem erhöht sich so die Performance.

Aber die Lösung mit dem RAM-Einsatz hat ebenfalls ein Problem: Wenn die Stromversorgung ausfällt, sind die Daten im RAM ebenfalls verloren. Um dieses Problem anzugehen, nutzen Enterprise-SSDs einen Kondensator, um dem RAM bei einem Energieausfall einen gewissen Schutz zu geben. Der Flash-Controller kann dem DRAM-Puffer der SSD im Bedarfsfall auch einen Energiestoß geben, falls der Strom ausfällt.

Software-defined Flash-Management

Die nächste Innovationswelle bei Flash-Management wird nicht beim Flash-Controller stattfinden. Anstelle dessen werden die Storage-Software oder das Betriebssystem in der Tat das Flash-System managen. Früher spielten die Speicher-Software und Betriebssysteme keine Rolle dabei, wie der Flash-Controller die SSDs verwaltete. Aber inzwischen haben sich die SSD-Hersteller für den Flash-Management-Prozess mittels APIs geöffnet, die eine externe Kontrolle der Flash-Systeme erlauben. Dieses Konzept ist auch als host-managed Flash bekannt.

Host-managed Flash erlaubt der Storage-Software oder dem Betriebssystem ein besseres Verständnis der Daten. Sind Kontrollen eingerichtet, sollte ein Speichersystem theoretisch besser funktionieren, wenn Funktionen wie beispielsweise Garbage Collection für bestimmte Daten aktiviert sind. Es sollte auch fähig sein, automatisch die Raten für Over-Provisioning anzupassen.

Während Flash-Management für die End-User nicht sichtbar ist, stellt es für IT-Profis eine wichtige Funktion dar, die sie auch wahrnehmen sollten. Die Art und Weise, wie ein Flash-Controller NAND-Flash verwaltet, hat direkten Einfluss sowohl auf den Lebenszyklus als auch auf die Performance von SSDs.

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Artikel wurde zuletzt im Juni 2016 aktualisiert

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