Flash-Speicheroptionen für Server

Server-seitiger Flash-Speicher bringt geringe Latenzen für Anwendungen. Derzeit gibt es verschiedene Optionen, Flash in Servern einzusetzen.

Derzeit wird viel über All-Flash-Arrays (AFA) und hybride Systeme (SSD und Festplatte) diskutiert, aber Solid-State-Storage in Servern einzusetzen ist ebenso eine populäre Alternative und eine einfache Methode, Flash-Storage zu implementieren. Es gibt verschiedene Optionen, Flash auf Serverseite zu verbauen. 

Dazu gehören SAS/SATA-Disk-Formfaktoren, Karten-basierter PCIe-Flash, nichtflüchtiger Memory-Flash und duale Inline-Memory-Modul-Slot-Implementierungen. Darüber hinaus kann serverseitiger Flash auch als persistenter Storage, als Cache und als verteilte Ressource in einem Cluster genutzt werden. Neue Formfaktoren wie NVDIMM und Funktionen stehen in Kürze zur Verfügung.

Disk-Formfaktoren sind nach wie vor beliebt, ob nun im 2,5-Zoll-; 3,5-Zoll- oder 1,8-Zoll-Format. Sie passen in die gleichen Einschübe, die auch von Festplatten belegt werden können und sind üblicherweise Hotswap-fähig, also im laufenden Betrieb austauschbar. Einige SSDs haben die gleiche Bauhöhe wie HDDs, während andere flacher sind. Die 2,5-Zoll-SSDs sind die meist verbreiteten für Server.

Dell kündigte vor kurzem ein Rackserver-Modell an, das auch 1,8-Zoll-SSDs unterstützt. Neun dieser SSDs nehmen genau so viel physischen Platz ein wie zwei 3,5-Zoll-SSDs. Benötigt man viele IOPS auf kleinem Raum, so könnte die 1,8-Zoll-SSD eine Lösung sein. Die Kapazitäten steigen stetig: Samsung offeriert eine 2,5-Zoll-SSD der Enterprise-Klasse mit 3,8 TByte. Man kann für 2015 weitere SSDs mit mehr als zwei TByte erwarten. Diese Enterprise-Klasse-SSDs bieten mittlerweile mehr Speicherkapazitäten als Festplatten dieser Art mit 10K rpm und 15K rpm.

PCIe-Flash

Eine andere bekannte Option für Server sind PCI Epxress-Karten (PCIe). Die Karten lassen sich in PCIe-Slots installieren und gewährleisten schnellen Zugriff auf Storage. Zusätzlich zu ihrer Speicherkapazität werden sie auch stets mittels ihrer Abmessungen beschrieben: volle Bauhöhe und volle Baulänge (Full-Height Full-Length: FHFL) und halbe Höhe, halbe Länge (Half-Height Half-Length: HHHL). 

Diese Karten bieten enorme Performance, da die direkte Verbindung über den PCIe-Bus geringe Latenzen garantiert. Ein Nachteil ist, dass sie an einen einzigen Server gebunden sind und der Server heruntergefahren werden muss, um eine Karte zu entfernen oder zu installieren. Viele PCIe-SSDs benötigen einen PCIe 2.0 x8-Einschub, andere, neuere Produkte verbinden sich über einen PCIe 3.0 x4-Slot.

Boot Drives

Eine steigende Anzahl an Enterprise-Servern wird mit Solid-State-Storage als Boot Drives ausgestattet. Bei Demartek geschieht dies bereits seit 2010 und es ermöglicht ein schnelleres Starten des Betriebssystems und Anwendungen reagieren schneller, wenn sie von der SSD aus geladen werden. Boot Drives brauchen in der Regel nicht die gleiche Performance wie geschäftskritische Applikationen und so lassen sich günstigere SSDs als Boot Drives einsetzen. Der performance-Boost durch die SSD sorgt zudem dafür, dass sich der Server länger nutzen lässt.

M.2 ist ein neuer Formfaktor, der dafür konzipiert wurde, verschiedene intern zu mountende Geräte wie SSDs einzusetzen. Die Karte ist 22 Millimeter breit und variiert in den Längenabmessungen: von 30 bis 110 Millimeter. Sie passen in einen speziellen M.2-Slot und gewährleisten bis zu 480 GByte an Speicherkapazität, was mehr als ausreichend für einen Boot Drive ist. Derzeit ist dieser Formfaktor für Laptops und Desktops erhältlich und in Kürze auch für einige Server.

Ähnlich M.2, aber etwas älter, ist mSATA. Diese SSDs sitzen auf einer Karte, die in etwa die Größe einer Visitenkarte besitzt und intern im System installiert wird. Dieser Formfaktor war zunächst auch nur für Laptops erhältlich und wird auch in Servern Einsatz finden, allerdings wird der M.2-Formfaktor mSATA in diesem Bereich ablösen.

Server-Hersteller übernehmen zudem einen anderen Formfaktor aus dem Consumer-Markt – die MicroSD-Karte. Diese Storage-Technologie wird unter anderem in Handys und anderen kleinen Computern verwendet. Es ist zu erwarten, dass diese Karten auch in einigen Servern als Boot Drive zum Einsatz kommen werden. In einer Server-Installation werden aber aus Redundanzgründen dann sicher zwei Karten verbaut.

Der Supermicro SATA DOM (Disk on Module), auch SuperDOM genannt, ist ein proprietärer Formfaktor in Servern von Supermicro. Es handelt sich hier um einen sehr kleinen Flash-Drive, der in einen speziellen SATA-Slot auf der jüngsten Generation der Server-Motherboards passt. Der Drive hat mit bis zu 64 GByte genügend Kapazität für einen Boot Drive.

Memory-Flash

Derzeit existieren zwei Arten an Memory-Flash: Non-Volatile Dual Inline Memory Module (NVDIMM) und Memory Channel Storage. Beide nutzen den Memory-Kanal für die Lese- und Schreib-Operationen des Gerätes. Sie passen auch in Standard-DIMM-Einschübe und offerieren Storage auf andere Art und Weise. 

NVDIMM umfasst DRAM, Flash, eine Kontrolllogik und eine unabhängige Stromversorgung, normalerweise Superkondensatoren. Es fungiert als DRAM und im Falle eines Strom- oder Systemausfalls, sichert es die Daten vom DRAM in Flash. Läuft das System wieder, werden die DRAM-Daten vom Flash wiederhergestellt. 

Derzeit sind Kapazitäten von vier bis 16 GByte verfügbar. Wegen der verhältnismäßig geringen Kapazitäten kann man hier nicht von einem hoch-kapazitiven Storage sprechen. Aber es ist eine gute Option für Schreib-Caching, Metadaten-Storage, In-Memory-Datenbanken, Memory Queuing und ähnliche Prozesse, die volle und persistente DRAM-Performance benötigen.

Memory Channel Storage nutzt Memory auf einem DIMM als Storage. Sie verfügen über Kapazitäten von bis zu 400 GByte und Latenzen im einstelligen Mikrosekundenbereich. Es gibt zahlreiche Anwendungen, die extrem geringe Storage-Latenzen voraussetzen und von dieser Technologie profitieren können. 

Um diesen Memory-Storage nutzen zu können, muss das BIOS/Unified Extensible Firmware Interface auf dem Server-Motherboard erkennen, dass Memory und Storage über DIMM-Slots angebunden sind. Einige Server-Motherboards können dies bereits leisten. Allerdings gibt es derzeit Patentrechtstreitigkeiten zwischen den beiden bekanntesten Herstellern in diesem Markt – Diablo Technologies und Netlist – so dass es hier zu Lieferschwierigkeiten kommen könnte.

Interfaces

Einige der SSD-Formfaktoren, wie zum Beispiel der Drive-Formfaktor, bedienen sich verschiedener Schnittstellen. Dazu gehören SATA, SAS und PCIe/Non-Volatile Memory Express (NVMe). Andere nutzen ein einziges Interface wie SATA oder PCIe.

SATA existiert bereits seit Jahren als Single-Device Storage-Schnittstelle. Das traditionelle SATA hat seine höchste Leistungsfähigkeit mit 6 GBit/s erreicht, hier wird es keine schnellere Version geben. Stattdessen entwickelt sich SATA zu SATA Express. Dabei werden zwei Spuren eines PCIe-Interfaces genutzt, um mit PCIe 3.0 auf 2 GBit/s und mit PCIe 2.0 auf 1 GBit/s zu kommen. SATA lässt sich für Drive-Formfaktoren, M.2, mSATA und SuperDOM einsetzen.

Serial-Attached SCSI (SAS) wird seit Jahren für Storage-Geräte verwendet und erscheint bald in einer neuen Version. Die aktuelle SAS-Version unterstützt 12 GBits/s, kann mehrere Geräte anbinden und soll künftig die Geschwindigkeit auf 24 GBit/s verdoppeln. SAS nutzt sowohl das SCSI-Protokoll als auch das darunterliegende physische Interface. 

Es ist geplant, auch das PCIe-Interface zu nutzen, in SCSI Express. Dabei wird das gleiche SCSI-Protokoll verwendet, aber bis zu vier Spuren der physischen PCIe-Schnittstelle. SAS kommt ausschließlich beim Drive-Formfaktor zum Einsatz. Derzeit sind sowohl HDDs als auch SSDs mit 12 GBit/s-Technologie verfügbar.

NVMe ist ein Software-Interface. Es wurde für Solid-State-Storage konzipiert, das PCIe als physische Schnittstelle verwendet, somit dient es auch dem Drive-Formfaktor, PCIe-SSDs und neueren PCIe-Formfaktoren wie M.2. NVMe ersetzt traditionelle SATA- oder SAS-Kommandoprotokolle durch optimierte Protokolle, die über PCIe laufen. Dadurch lassen sich höhere Performance und weitaus geringere Latenzen erreichen.

Kategorien an Server-Flash

Hersteller von Solid-State-Storage kategorisieren ihre Produkte in drei Anwendungsgebiete: Lese-intensiv, Schreib-intensiv sowie gemischt Schreib-Lese-intensiv.

Lese-intensive Solid-State Drives eignen sich für Applikationen, deren Inhalt nur einmal geschrieben und selten verändert, dafür aber oft gelesen wird. Anwendungen mit 90 Prozent Reads und 10 Prozent Writes können diese SSDs nutzen. Diese Medien garantieren gute Performance und sind günstiger als die der anderen Flash-Kategorien. In vielen Fällen lassen sie sich auch als Boot Drives einsetzen.

SSDs für gemischte Lese-Schreib-Prozesse wurden für Anwendungen entwickelt, die mehr Writes in den Workloads verzeichnen. Die Medien sind etwas teurer als Lese-intensive SSDs, aber günstiger als Schreib-intensive SSDs. Auch sie können als Boot Drive in Frage kommen.

Schreib-intensive SSDs wurden für Enterprise-Anwendungen konzipiert, die zahlreiche Writes abarbeiten, beispielsweise Datenbank-Transaktionen oder Logging. Sie sind die teuersten Medien der drei Kategorien.

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Artikel wurde zuletzt im April 2015 aktualisiert

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