Neu­es Le­ben im Sto­r­a­ge-Markt

Computerwoche - - Inhalt - Von Ume­sh Ma­heshwa­ri, Grün­der und CTO von Nim­ble Sto­r­a­ge (ba)

Spei­cher­ge­rä­te mit Flash-SSD und SAS/SATAo­der NVM-Ex­press-Schnitt­stel­le sind zur­zeit das Maß der Din­ge. Doch die nächs­te Spei­cher­ge­ne­ra­ti­on 3D XPo­int (3DXP) in­klu­si­ve NVMEx­press-In­ter­face steht be­reits am Start.

Mit der Di­gi­ta­li­sie­rung brau­chen Un­ter­neh­men schnel­le Sto­r­a­ge-Sys­te­me mit ge­rin­gen La­tenz­zei­ten. Ge­rä­te mit Flash-SSD und SAS/SATA- oder NVM-Ex­press-Schnitt­stel­le sind zur­zeit das Maß der Din­ge. Doch die nächs­te Spei­cher­ge­ne­ra­ti­on 3D XPo­int (3DXP) in­klu­si­ve NVM-Ex­press-In­ter­face steht be­reits am Start.

Non-Vo­la­ti­le Me­mo­ry ex­press (NVMe) – nicht zu ver­wech­seln mit dem Sto­r­a­geMe­di­um NVM (Non Vo­la­ti­le Me­mo­ry) – ist ein re­la­tiv neu­es Pro­to­koll, um auf Da­ten zu­zu­grei­fen, die auf SSDs ge­spei­chert sind. Vor­gän­ger­pro­to­kol­le wie SAS oder SATA sind im Ver­gleich lang­sa­mer und schwer­fäl­li­ger. Mit dem neu­en Pro­to­koll wird die La­tenz um et­wa 20 Mi­kro­se­kun­den her­un­ter­ge­schraubt. Das ist bei schnell­dre­hen­den Fest­plat­ten und La­tenz­zei­ten von 5000 Mi­kro­se­kun­den zwar zu ver­nach­läs­si­gen. Al­ler­dings wird es bei Flash-SSDs mit La­ten­zen von 100 Mi­kro­se­kun­den schon in­ter­es­san­ter. Dra­ma­tisch wirkt sich NVMe bei zu­künf­ti­gen SSDs mit 3DXP (3D-XPo­int-Tech­no­lo­gie) mit La­tenz­zei­ten von we­ni­ger als zehn Mi­kro­se­kun­den aus. Da­zu kommt, dass 3DXP-SSDs nur noch mit NVMe funk­tio­nie­ren wer­den.

Über La­ten­zen hin­aus ver­bes­sert NVMe auch die Band­brei­te, in­dem es SSDs über PCIe (Pe­ri­pheral Com­po­nent In­ter­con­nect Ex­press) di­rekt mit der CPU ver­bin­det. Das hat zur Fol­ge, dass ei­ne gro­ße Zahl von PCIe-La­nes ge­nutzt wer­den kön­nen, oh­ne dass ein zu­sätz­li­cher Host-Bus-Ad­ap­ter be­nö­tigt wird.

Die Leis­tung ei­nes Sto­r­a­ge-Sys­tems be­ein­flus­sen al­ler­dings ver­schie­de­ne Kom­po­nen­ten: das Front­end-Netz­werk, das die An­wen­dung mit dem Sto­r­a­ge ver­bin­det, die CPUs, auf de­nen die Sto­r­a­ge-Soft­ware läuft, die I/O-Ver­bin­dung zwi­schen den CPUs und Sto­r­a­ge-Lauf­wer­ken oder -Mo­du­len und die Sto­r­a­ge-Lauf­wer­ke, dar­un­ter das Sto­r­a­ge-Me­di­um und die Me­di­um-Con­trol­ler. Wel­che die­ser vier Kom­po­nen­ten nun zum Fla­schen­hals für die Per­for­mance wird, hängt von der Sys­tem­ar­chi­tek­tur und den Wor­kloads wie Le­se- ver­sus Schreib­vor­gän­gen und Ran­dom ver­sus se­quen­zi­ell ab. Bei tra­di­tio­nel­len Sto­r­a­ge-Sys­te­men, die Fest­plat­ten nut­zen, be­grenzt die Zahl der HDDs die Ge­schwin­dig­keit. Da­ge­gen sind Sys­te­me mit Flash-Lauf­wer­ken deut­lich schnel­ler. Für die meis­ten Wor­kloads in Flash-ba­sier­ten Sys­te­men ist die CPU der be­gren­zen­de Fak­tor. Die­se ist meist da­mit aus­ge­las­tet, Da­ten­diens­te wie Hoch­ver­füg­bar­keit, Da­ten­re­duk­ti­on und Da­ten­si­che­rung zur Ver­fü­gung zu stel­len.

Sel­te­ner pas­siert es, dass ein Flash-ba­sier­tes Sys­tem durch die Zahl der SSDs be­grenzt wird. Das kann aber vor­kom­men, wenn et­wa ein Sys­tem nur über ei­ne klei­ne Zahl von SSDs ver­fügt, die Last je­doch nicht über al­le Lauf­wer­ke ver­tei­len kann, oder wenn die Lauf­wer­ke äl­ter sind und das SAS/SATA-In­ter­face nicht aus­las­ten kön­nen. Noch sel­te­ner wird ein Sys­tem durch den In­ter­con­nect oder das Front­en­dNetz­werk li­mi­tiert. Das kann et­wa bei spe­zi­el­len Wor­kloads ge­sche­hen, zum Bei­spiel bei Last­spit­zen mit se­quen­zi­el­lem I/O und gro­ßen Blö­cken, oder wenn das Sto­r­a­ge-Sys­tem so aus­ge­legt wur­de, dass es ma­xi­ma­le Per­for­mance auf Kos­ten von an­spruchs­vol­len Da­ten­diens­ten be­reit­stellt.

Soll­te das Sys­tem durch die CPU li­mi­tiert sein, könn­te der Ein­satz von NMVe im Ge­gen­satz zu SAS/SATA die Per­fo­mance ver­bes­sern, weil der NVMe-Trei­ber die CPU ef­fi­zi­en­ter nutzt als der her­kömm­li­che SCSI-Trei­ber. Aber der Leis­tungs­ge­winn ist mo­de­rat – we­ni­ger als 20 Pro­zent –, weil der größ­te Teil der CPU von Da­ten­diens­ten ge­nutzt wird und nicht von Pro­to­koll­trei­bern des Sto­r­a­ge-Sys­tems. IT-Ver­ant­wort­li­che soll­ten da­her je­den Sto­r­a­ge-An­bie­ter, der NVMe-ba­sier­te Sys­te­me of­fe­riert, nach dem Mehr an Per­for­mance fra­gen, das auf­grund des ei­ge­nen Wor­kloads zu er­war­ten ist und nicht auf­grund der Her­stel­ler-Bench­marks.

Glück­li­cher­wei­se kann NVMe mit ein­fa­chen Lay­ou­tän­de­run­gen in ein Sto­r­a­ge-Sys­tem in­te­griert wer­den, und das oh­ne gro­ße Mo­di­fi­ka­tio­nen der ei­gent­li­chen Sto­r­a­ge-Ar­chi­tek­tur. Da­bei gibt es al­ler­dings ei­nen Haken: NVMeSSDs mit Dual­ports kom­men der­zeit noch teu­er. Sie sind aber not­wen­dig, um aus­fall­si­che­re Sys­te­me zu bau­en. Al­ler­dings wird der Preis ent­spre­chen­der NVMe-Sys­te­me in na­her Zu­kunft wahr­schein­lich in die Nä­he von SATASSDs fal­len. Im Lauf der Zeit wer­den so al­le Flash-ba­sier­ten Sys­te­me auf NVMe um­ge­rüs­tet. Man­che Her­stel­ler wer­den es frü­her tun als an­de­re, al­ler­dings wird es den Sto­r­a­geMarkt nicht fun­da­men­tal um­krem­peln. Tur­bo für 3DXP-SSDs

Wäh­rend NVMe her­kömm­li­chen Flash-SSDs et­was auf die Sprün­ge hilft, ist NVMe für neue 3D-XPo­int-SSDs es­sen­zi­ell. Die in­ter­ne La­tenz­zeit von 3DXP-SSDs be­trägt we­ni­ger als zehn Mi­kro­se­kun­den – das ist deut­lich schnel­ler als die 100 Mi­kro­se­kun­den bei Flash-SSDs. Das be­deu­tet, dass Wor­kloads mit ge­rin­ger War­te­schlan­gen­tie­fe – al­so mit we­nig aus­ste­hen­den I/O-Ope­ra­tio­nen – viel schnel­ler auf 3DXPSSDs lau­fen als auf Flash-SSDs. Wenn man ei­ne 3DXP-SSD mit SAS- statt mit NVMeSchnitt­stel­le nutzt, wür­de es die La­tenz mehr als ver­drei­fa­chen und so­mit den Vor­teil von 3DXP ver­rin­gern.

Mit Zu­gangs­la­ten­zen von zehn Mi­kro­se­kun­den ver­än­dert 3DXP mehr als NVMe al­lein. Im Grun­de wird da­mit ein neu­er Lay­er in die Sto­r­a­geMe­di­um-Py­ra­mi­de ein­ge­fügt, und zwar zwi­schen Flash und NVRAM (ba­sie­rend auf DRAM). Im Ver­gleich zu ei­ner klas­si­schen Flash-SSD wird ei­ne 3DXP-SSD zehn­mal schnel­ler bei ei­ner ge­rin­gen War­te­schlan­gen­tie­fe sein, zehn­mal mehr Schreib­zy­klen to­le­rie­ren, aber auch zehn­mal teu­rer pro Gi­ga­byte sein. Wenn wir uns die­sen Un­ter­schied im Fak­tor zehn bei Preis und Per­for­mance vor Au­gen hal­ten, wä­re es sinn­voll, Flash und 3DXP-SSDs zu kom­bi­nie­ren, so dass Flash für das Spei- chern von Da­ten und 3DXP für das Spei­chern von Me­t­a­da­ten oder Ca­ching-Da­ten ge­nutzt wird. Die­ses Vor­ge­hen wird hy­bri­de Flas­h3DXP-Sys­te­me weit­aus at­trak­ti­ver ma­chen als rei­ne Flash-Sys­te­me. Im Ver­gleich zu NVRAMDIMM ist ei­ne 3DXP-SSD zu­meist zehn­mal lang­sa­mer, un­ter­stützt we­ni­ger Schreib­zy­klen und ist zehn­mal güns­ti­ger. Da­her wer­den An­wen­dungs­fäl­le wie Schreib-Ca­ching, die die nied­rigs­te La­tenz und höchs­te Schreib­be­last­bar­keit, aber kei­ne gro­ßen Ka­pa­zi­tä­ten be­nö­ti­gen, wei­ter gut mit NVRAM funk­tio­nie­ren.

In­tel ar­bei­tet un­ter dem La­bel Op­ta­ne an ei­ner neu­en Spei­cher­tech­nik, die heu­ti­ge SSDs und Haupt­spei­cher auf DRAM-Ba­sis er­set­zen soll. Op­ta­ne ba­siert auf 3D XPo­int (3DXP). Die ers­ten Op­ta­ne-Pro­duk­te (16 GB und 32 GB) sol­len aus­schließ­lich auf PCs lau­fen, die In­tels neue Chip­ge­ne­ra­ti­on Ka­by La­ke an Bord ha­ben. Letzt­lich will In­tel auch Op­ta­ne-SSDs mit gro­ßen Ka­pa­zi­tä­ten auf den Markt brin­gen – mit dem Ziel, die kon­ven­tio­nel­len So­lid Sta­te Disks über­flüs­sig zu ma­chen. Dar­über hin­aus wird Op­ta­ne auch als DRAMEr­satz ver­füg­bar sein. Im Ge­gen­satz zum dy­na­mi­schen RAM ist Op­ta­ne auf­grund sei­ner hö­he­ren Spei­cher­dich­te in der La­ge, Da­ten auch nach dem Aus­schal­ten ei­nes Rech­ners zu be­hal­ten. Ers­te Pro­duk­te sol­len In­tel zu­fol­ge in der zwei­ten Jah­res­hälf­te 2017 ver­füg­bar sein.

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