Industriesoftware-Entwicklung braucht mehr Virtualisierung und Datenreduktion

Hunderte von Build-Agents brauchen je kontinuierlich bis zu Tausend IOPS

| Redakteur: Rainer Graefen

Die softwaregetriebene Automatisierung erreicht immer neue Dimensionen der Computersimulation.
Die softwaregetriebene Automatisierung erreicht immer neue Dimensionen der Computersimulation. (Siemens)

Die Digitalisierung in Fabriken schreitet mit rasantem Tempo fort. Werkstücke und Maschinen sind immer häufiger mit Sensoren oder Chips bestückt und kommunizieren mit IT-Systemen. Software gewinnt dadurch einen stetig höheren Stellenwert – sowohl in der Produktentwicklung als auch bei der Steuerung von Geschäfts- und Produktionsprozessen. Nur wenige IT-Produkte erweisen sich als hilfreich.

Die softwaregetriebene Automatisierung hat inzwischen unglaubliche Dimensionen erreicht. Dank Computersimulation wird vielerorts bereits komplett auf physische Produkt-Prototypen verzichtet. Zudem wird die optimale Verfahrensstechnik samt Produktionslogistik beim digitalen Design oftmals gleich mit geplant.

Für Unternehmen aus der internationalen Prozess- und Fertigungsindustrie bedeutet dies: verkürzte Markteinführungszeiten, mehr Flexibilität in der Lieferkette sowie höhere Produktivität und Energieeffizienz – bei gleichzeitig reduziertem Ressourceneinsatz.

XtremIO-Anforderungen in der Softwareentwicklung

Wohl kaum ein Firmenname ist so eng mit dem Fortschritt der industriellen Automation verbunden wie Siemens: Die Division Digital Factory des traditionsreichen Weltkonzerns hält hochintegrierte Automationslösungen für buchstäblich jedes Fabrikszenario bereit – vom computergestützten Produktdesign, über die Anlagensteuerung, bis hin zum so genannten Manufacturing Execution System (MES), das in vielen Fabriken schon heute für eine weitgehend automatisierte Fertigungsplanung sorgt.

Rund um den Erdball vernetzt arbeiten hoch spezialisierte Programmierteams an der permanenten Erweiterung und Optimierung der marktführenden Industriesoftware von Siemens. Der von ihnen geschriebene Programmcode wird auf einem zentralen Microsoft Team Foundation Server gehostet. Die Übersetzung dieses Quellcodes in lauffähige Computerbefehle – das sogenannte Kompilieren – beansprucht je nach Komplexität fünf Stunden und mehr.

„Am Abend sammelt sich ein Stapel von bis zu tausend solcher Kompilierungsaufträge, die wir in der Nacht verarbeiten, sodass die Entwickler am nächsten Morgen mit einem lauffähigen Testprogramm weiterarbeiten können.“, schildert Adam Hesselschwerdt, verantwortlich für die Virtualisierungslösungen der Abteilung Development Infrastructure in Karlsruhe.

Ergänzendes zum Thema
 
Das Kompilierprojekt bei der Firma Siemens
 
Die Siemens Aktiengesellschaft

XtremIO macht’s möglich: Virtualisierung ohne Abstriche an der Entwicklungsproduktivität

Zur Entwicklungs- und Testinfrastruktur gehören unter anderem rund 240 Server – intern als Build Agent bezeichnet –, auf denen die jeweilige Softwareumgebung kompiliert wird. Der Wunsch nach einer echten Virtualisierung mit mehreren Build Agents auf einem physischen Gerät bestand schon lange, weil man dadurch Kosten sparen und den Betrieb vereinfachen wollte.

„Das war wegen der extrem hohen I/O-Last vieler Kompilieraufträge mit herkömmlichen Speichersystemen nicht möglich.“, fährt Adam Hesselschwerdt fort – und benennt damit auch gleich das Hauptmotiv für die Einführung der Scale-Out-Flash-Lösung EMC XtremIO. Die Anzahl der Lese- und Schreibzugriffe beträgt für einen Build Agent bis zu tausend I/Os pro Sekunde (IOPS).

Für die Virtualisierung der gesamten Build-Plattform ist demnach eine Performance von mehreren Hunderttausend IOPS unabdingbar. „Im Proof-of-Concept hat uns EMC nachgewiesen, dass XtremIO bereits in der ersten Ausbaustufe eine Viertelmillion IOPS erreicht. Das gab uns die Gewissheit, dass für uns eine Virtualisierung ohne das Risiko verlängerter Kompilierungszeiten endlich möglich sein würde.“, so Adam Hesselschwerdt.

Deduplizierung ohne Performance-Verlust

Überrascht habe ihn die extrem hohe I/O-Leistung insbesondere vor dem Hintergrund, dass sämtliche Daten vor dem eigentlichen Speichern per hardwarebasierter Inline-Deduplikation komprimiert werden. „Zurzeit liegt der Kompressionsfaktor bei etwa 4,5. Das Projekt, steht aber noch ganz am Anfang, und die deduplizierte Datenmenge wächst mit jedem zusätzlich virtualisierten Build Agent weiter an.“, so Adam Hesselschwerdt.

Er erwartet daher einen Anstieg des Reduktionsfaktors auf mindestens 5. Denn je größer die Datenmenge wird, desto häufiger treten gleichartige Bitmuster auf – und desto effizienter arbeitet folglich die Deduplikation. In der Siemens Development-Umgebung bedeutet ein Faktor 5 konkret, dass aus den 20 Terabyte realer Brutto-Kapazität der beiden 10-Terabyte XtremIO X-Bricks an den Standorten Karlsruhe und Fürth rund 80 Terabyte nutzbare Nettokapazität werden.

„Deduplikation ohne Performance-Einbuße ist das Geheimnis, mit dem es EMC gelang, ein reines Flash-System mit einem absolut überzeugenden Preisleistungsverhältnis auf den Markt zu bringen.“, meint Experte Hesselschwerdt. In Kürze wird das neue, kostenfreie Release 3.0 von XtremIO installiert. In diesem Zuge werden die Datenreduktionsraten in der Größenordnung 7-8 zu 1 steigen. Hinzugefügt wird die Kompression, die die Deduplizierung sinnvoll ergänzt.

Extrem energieeffizient: 70 Prozent weniger Stromverbrauch

Im aktuellen Projektschritt lassen sich dank XtremIO durchschnittlich fünf Build Agents auf einem physischen Server virtualisieren – das entspricht einer Konsolidierung von 80 Prozent. Insgesamt rechnet Adam Hesselschwerdt allein dadurch mit Kosteneinsparungen aufgrund reduzierter Stromkosten sowie verringertem Kühlungs- und Platzbedarf von etwa 70 Prozent.

Schätzungsweise hundert der 240 physischen Server lassen sich mit den derzeit verfügbaren Flash-Kapazitäten virtualisieren. Die dann gegebenenfalls notwendige Skalierung ist aufgrund der modularen Scale-Out-Architektur von XtremIO durch einfaches Hinzufügen weiterer X-Bricks möglich. Anders jedoch als bei herkömmlichen Speichersystemen – und das ist für Siemens absolut entscheidend – hat die erhöhte Kapazität keinerlei negativen Einfluss auf die Performance.

Neben der bislang praktizierten Virtualisierung mit VMware vSphere in einer ESX-Umgebung ist bereits ein weiteres XtremIO-Projekt angelaufen, bei dem es um die On-Demand-Bereitstellung von mehreren hundert virtuellen Testmaschinen per VMware Workstation geht.

Freiräume für das Team

Der große Vorteil: Durch einen höheren Virtualisierungsgrad pro Host lassen sich die bisher erreichten Konsolidierungseffekte noch einmal um ein Vielfaches steigern. Hinzu kommt ein weiterer Punkt der bei der Entscheidung zugunsten der Flash-Lösung von EMC ebenfalls eine ausschlaggebende Rolle spielte: „Die perfekte Integration von XtremIO in die komplette VMware-Umgebung vereinfacht und beschleunigt sämtliche Prozesse rund um die Bereitstellung der Build Agents.“, sagt Adam Hesselschwerdt.

Da XtremIO perfekt mit VMware VAAI integriert ist, werden Deployment-Prozesse weitgehend vom Storage System übernommen und dort im In-Memory Metadatenspeicher in Bruchteilen einer Sekunde verarbeitet. Vereinfachte Bereitstellungsprozesse sind deshalb so wichtig, weil für die Betreuung der Entwicklungsplattform ein kleines Team verantwortlich ist. Gegenwärtig wird die gewonnene Arbeitszeit genutzt, um die begonnene Virtualisierung zügig voranzutreiben und in engem Kontakt mit EMC das notwendige Know-how für die künftigen Projektschritte aufzubauen.

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