NVMe - das fehlende Puzzleteil

Fortschrittliche Speichertechnologien für Big Data

| Autor / Redakteur: Von Thomas Arenz* / Tina Billo

Das Internet der Dinge und Big Data stellt Rechenzentrumsbetreiber in Sachen Storage vor große Herausforderungen.
Das Internet der Dinge und Big Data stellt Rechenzentrumsbetreiber in Sachen Storage vor große Herausforderungen. (Bild: Samsung Semiconductor Europe GmbH)

Big-Data- und IoT- (Internet of Things)Anwendungen vervielfachen die Menge an Daten, die verarbeitet und gespeichert werden müssen. Dementsprechend sind Technologien gefragt, mit denen sich die Leistung von Servern weiter steigern lässt. NVMe ist hierfür ein Beispiel, da der Einsatz des Protokolls der Performance von SSDs auf die Sprünge hilft.

Wie bei jeglicher Art von Innovation müssen Unternehmen investieren, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Dies gilt speziell für den Markt für Enterprise Server, wo fast täglich Verbesserungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Storage erzielt sowie ständig neue Technologien entwickelt werden. Um mit diesem rasanten Tempo der Veränderung Schritt zu halten, kämpfen viele Unternehmen mit ihren Budgets und verfolgen dabei das Ziel, serverseitig noch mehr Investitionen in den Bereich Forschung und Entwicklung zu stecken.

Doch warum ist in der Welt der Server eine derartige Innovation notwendig? Mit dem Aufkommen von Big Data und dem Internet der Dinge (IoT) müssen Datenzentren heute mehr Information als jemals zuvor verarbeiten und speichern. So wurden zum Beispiel alleine im Jahr 2014 Tag für Tag Daten mit einem Volumen von 2,5 Exabyte (dies sind 2,5 Milliarden Gigabyte) erzeugt. Während dies großartige Nachrichten für Organisationen sind, die hoffen, ihre Business Intelligence zu entwickeln, stellt dieses Szenario Anbieter von Datenzentren vor große Herausforderungen in Sachen Storage und Datenverarbeitung.

Investitionen in Halbleiterspeicher der Zukunft

Nach derzeitigem Stand sind herkömmliche Konzepte für Storage-Infrastruktur zur Analyse großer Echtzeit-Datensätze zunehmend ungeeignet. Gleichzeitig leidet ältere Hardware auch unter den Belastungen von Big Data, wobei herkömmliche Festplatten (HDDs) weder eine adäquate Leistungsfähigkeit, noch ein akzeptables Speicher/Platz-Verhältnis bieten. Glücklicherweise haben aktuelle Fortschritte im Bereich der Information-Storage-Technologie dabei geholfen, die Basis für die Zukunft des Managements von Rechenzentren zu legen – eine Zukunft, in der Big Data kein Problem mehr darstellt.

Diese jüngsten Fortschritte sind ein direktes Resultat umfangreicher Investitionen im Bereich Enterprise Server. Samsung zum Beispiel investiert pro Tag 40 Millionen Dollar in Forschung und Entwicklung, da der Markt Differenzierung und die Fähigkeit, sich Wettbewerbsvorteile zu verschaffen, verlangt. Doch bevor im Folgenden die Ergebnisse dieser Art von Investition erläutert werden, ist es wichtig, sich die Entwicklung von Storage über die Jahre zu vergegenwärtigen.

Festplatten-Alternative SSD

Die erste Weiterentwicklung, die sich dieser Problematik annahm, war die Einführung von SSDs (Solid State Drives). SSDs zeigten sich von Anfang an weitaus leistungsfähiger als ihre älteren HDD-Alternativen. Während die höheren Kosten der ersten verfügbaren SSDs ihren Einsatz in Massenware begrenzten, sind Halbleiterlaufwerke aufgrund ihrer höheren Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz in den meisten Servern und Rechenzentren inzwischen äußerst beliebt.

Nach der Einführung von SSDs standen Manager von Rechenzentren schon bald vor einem neuen Problem. Mit der Zunahme des Datenvolumens waren sie gezwungen, in ihren Datenzentren immer mehr Server unterzubringen. Deshalb haben sich SSD-Hersteller wie Samsung Semiconductor daran gemacht, die Abmessungen ihrer Einzelkomponenten zu reduzieren, um Platz zu sparen und mehr Speicher unterzubringen. Hieraus ergaben sich jedoch neue Herausforderungen.

Vertikaler Speicher hebt Skalierungsprobleme auf

Um die Abmessungen ihrer Komponenten zu reduzieren, waren die Hersteller gezwungen, die Speicherzellen in immer geringeren Abständen zueinander anzuordnen. Mit zunehmend kleineren Abständen zwischen den Zellen waren Flash-basierte Halbleiterlaufwerke mehr denn je den Folgen von Kopplungseffekten ausgesetzt, was schließlich ein höheres Maß an Interferenzen und sogar mögliche Datenkorruption bewirkte. Diese sogenannte "Skalierungsgrenze" hätte solche Speicherprodukte weniger zuverlässig für den Einsatz in Servern und schlussendlich in Rechenzentren selbst gemacht.

Um dieses Problem zu beheben, hat sich Samsung an die Entwicklung einer neuen Form von "vertikalem" Speicher gemacht. Dieser Speichertyp kann mehr Zellen aufnehmen, ohne den Abstand zwischen den Zellen verkleinern zu müssen. Statt zu versuchen, mehr Zellen auf der gleichen horizontalen Fläche unterzubringen, nimmt dieses neue Konzept mehr Speicher auf, indem man die Zellen in Form einer neuen vertikalen Struktur über bestehenden Strukturen anordnet.

3D V-NAND bietet Multi-Terabyte-Speicherdichten

Unter der Bezeichnung "3D V-NAND" initiiert, bietet diese neue Technologie bei leseintensiven Anwendungen eine zehnfache Verbesserung in Sachen Lebensdauer (Longevity). In "gemischten" Anwendungen erreicht 3D V-NAND durchschnittlich fünffach höhere Werte. Neben einer verbesserten Schreib-Performance ermöglicht die vertikale Struktur auch wesentlich höhere Speicherdichten bei gleicher Grundfläche.

Angefangen bei 24 Lagen verfügten die ersten V-NAND-basierten Komponenten von Samsung über jeweils 128Gb. Nicht einmal zwei Jahre später weist die aktuelle Generation 48 Lagen auf und ermöglicht Multi-Terabyte-Speicherdichten bereits im 2,5-Zoll-Form-Faktor. Dies hilft nicht nur, die Problematik in Verbindung mit Big Data zu lösen, sondern auch, den Energieverbrauch sowie die langfristigen Wartungskosten zu senken.

Während SSDs und später 3D V-NAND Memorys geholfen haben, die Herausforderungen im Bereich Big Data hinsichtlich Speicherkapazität zu meistern, fehlte noch immer ein Teil des Ganzen – NVMe, Non-Volatile Memory Express.

Neue Technik auf alter Infrastruktur

Bevor wir dazu kommen, wie NVMe Rechenzentren insgesamt verbessert, müssen wir bei dem Zeitpunkt beginnen, als SSDs erstmals auf den Markt kamen. Hersteller produzierten traditionell SSDs mit SATA- und SAS-Bussen, um diese an den "Rest" des Computers anschließen zu können. Damals funktionierten diese Busse gut für SSDs, da der Halbleiterspeicher mit HDDs hinsichtlich Geschwindigkeit vergleichbar war. Da moderne SSDs inzwischen wesentlich schneller geworden sind, werden sie durch diese antiquierten Busse immer stärker gebremst.

Bezogen auf den SSD-Output lässt sich das Ergebnis mit einem Esel vergleichen, der einen Ferrari zieht. Ganz gleich, wie viel schneller die Rennboliden in den kommenden Jahren werden: Wird der Esel nicht schneller, kann der Ferrari nie sein gesamtes Geschwindigkeitspotenzial erreichen.

Dies beweisen die Zahlen. Die Geschwindigkeit des SATA-Busses von 600Gbps bedeutet, dass die meisten modernen SSDs mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten – rund 500Mbps - obwohl sie unterschiedliche Geschwindigkeitskapazitäten haben. Die SSD-Technik kann so viel mehr — nur muss die sie umgebende Technologie einfach der Aufgabe gewachsen sein.

NVMe: Die Antwort auf die Herausforderung bei Flash-Speichern

NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist die Technologie, die es SSDs ermöglicht, sich zu entfalten. Kurz gesagt ist NVMe Firmware — und ein Kommunikations-Schnittstellenprotokoll, das als Teil des beim Server vorhandenen PCIe-Busses (Peripheral Component Interconnect express) mit hoher Bandbreite arbeitet. PCIe ist der darunter liegende Datentransport-Layer für Grafik- und andere Erweiterungskarten. NVMe definiert einen Befehls- und Funktionssatz für PCIe-basierte SSDs.

Der NVMe-fähige PCIe arbeitet speziell mit den neuesten SSDs und kann den größten Nutzen aus einem Solid State Drive ziehen. PCIe 2.0 bietet 500 MB/s pro Verbindungsleitung (Lane), PCIe 3.0 hingegen 985 MB/s. Installiert man aber eine Karte in einen PCIe 2.0-Slot über vier Lanes, steigt die Bandbreite auf 2 GB/s. Installiert man eine Karte in einen PCIe 3.0-Slot, erhöht sich die Bandbreite auf 4GB/s — wie geschaffen für die derzeit schnellsten SSDs.

NVMe SSDs bieten gegenüber SAS SSDs eine höhere Leistung bei gleichzeitig niedrigerer Latenz.
NVMe SSDs bieten gegenüber SAS SSDs eine höhere Leistung bei gleichzeitig niedrigerer Latenz. (Bild: Samsung Semiconductor Europe GmbH)

Mit NVMe bietet PCIe wesentlich höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenz und einen niedrigeren Energieverbrauch als SATA. Dies ermöglicht eine völlig neue Art von Storage-Architektur und macht Daten für die CPU in großen Mengen verfügbar. Dies schließlich bietet enorme Verbesserungen hinsichtlich Bandbreite und IOPS (Input/Output Operations pro Sekunde) gegenüber SATA und SAS.

Während SATA für 4KB-Transfers zwei Befehle benötigt und nur eine Queue verarbeiten kann, benötigt NVMe nur einen Befehl und kann bis zu 65.536 Queues verarbeiten. Davon profitieren speziell Server, die simultane Disk I/O Anfragen verarbeiten können. Kurzum, NVMe optimiert den Treiber-Stack des Prozessors, damit er die hohen IOPS in Verbindung mit Flash-Storage handhaben kann. Aufgrund dieser neuen Beziehung zwischen Bus und Firmware können OEMs ohne Einschränkungen in Sachen Abmessungen oder Energieeffizienz schnellere, bessere und robustere Server produzieren.

NVMe: Besser für alle

Dass SSDs im PCIe-Umfeld arbeiten ist nicht neu. In der Vergangenheit haben beide mit nicht nach Standards spezifizierten Schnittstellen zusammengearbeitet. Heute haben die Hersteller die Schnittstelle standardisiert. So braucht das Betriebssystem nur einen Treiber, um mit allen SSDs, die diese Spezifikation erfüllen, zusammenzuarbeiten. Die Standardisierung reduziert die Komplexität für SSD-Hersteller, die keine spezifischen Schnittstellentreiber mehr entwickeln müssen.

Aus Sicht der OEM Hersteller bildet die zunehmende Standardisierung eine Basis, mit der Entwickler arbeiten können. Standards ermöglichen Storage-Anbietern auch, mehrere Zulieferer zu nutzen, um die Leistungsfähigkeit zu steigern, ohne mehrere Treiber unterstützen zu müssen. Abschließend, aus Sicht des Endkunden, profitieren Datenzentren von einer insgesamt höheren Leistungsfähigkeit ihrer Server.

Kombination der Technologien steht noch am Anfang

Dadurch ist NVMe in der Tat das fehlende Teil im serverseitigen Puzzle. Durch eine Kombination aus SSDs, 3D V-NAND und NVMe-Firmware könnten Hersteller die nächste "Killer App" für die Zukunft im Bereich Datenzentrums-Storage enthüllt haben. Doch wie es derzeit aussieht, kämpfen die meisten Hardware-Hersteller noch immer damit, zwei dieser Technologien zu kombinieren. Ganz abgesehen von der Kombination aller drei.

Samsung Semiconductor ist zurzeit noch das einzige Unternehmen, das 3D V-NAND Technologie anbietet. Der Hersteller hat sich während der Entwicklungsphase über 300 Patente gesichert. Nun weitet das Unternehmen seine Aktivitäten auf die Entwicklung von Memory-Lösung für die nächste Generation aus.

Partnerschaft in Sachen NVDIMM-P

Wohin also führt der Weg der Zukunft? Aus der Sicht von Samsung täte die Welt gut daran, einer neuen Klasse von NVDIMM-P (NV-P) Memory-Lösungen Aufmerksamkeit zu schenken, die auf NAND Flash und DRAM basieren

NV-P ist ein richtungsweisender Industriestandard für eine neue Klasse NAND-basiertem Storage, die im Memory-Kanal arbeitet — der schnellste Datenpfad in einem Computer. NV-P basiert auf der industrieweit ersten Unified Memory-Storage-Architektur mit der Bezeichnung HyperVault, bereitgestellt von Netlist. Diese Architektur vereint Samsungs industrieweit führendes DRAM und NAND in einem Memory-Bereich zu deutlich reduzierten Kosten gegenüber DRAM und ohne Systemmodifikation.

Gemäß einer Ankündigung von Netlist vom November 2015 werden beide Unternehmen zusammenarbeiten, um eine standardisierte Produktschnittstelle zu entwickeln, die die Marktakzeptanz beschleunigt und die signifikanten Vorteile dieser neuen Technologie einer großen Gruppe von Kunden aus vielen Bereichen näher bringt. Typische Anwendungen sind in den Bereichen Big Data Analyse, Virtualisierung, In-Memory Database, Online-Transaktionsverarbeitung und Hochleistungs-Database angesiedelt.

Es ist Zukunftstechnologie — mit großem Potenzial. In den kommenden Monaten finden Sie hier weitere Informationen.

* Director Marcom/SBD bei Samsung Semiconductor Europe GmbH

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