Festplatte versus SSD Neue PCIe-Generation macht Hard Disk zur günstigeren Alternative

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Wann auf SSDs umsteigen – oder lieber doch vorwiegend bei der konventionellen Hard Disk bleiben? Mit dieser Frage befasste sich Toshiba auf der ISC in Form eines Versuchsaufbaus. Fazit: Die Umgebung der Hard Disk entscheidet, wo und wie lange sie sich lohnt.

Fachleute verdrehen bereits die Augen: Alle Jahre wieder wird der Abtritt der Festplatte von SSD-Anbietern beschworen, und mit derselben Regelmäßigkeit halten Anbieter konventioneller Disks dagegen. Ihre Geräte hätten noch lange einen Platz in der Welt, wenn auch vielleicht nicht auf der obersten Speicherschicht.

Für letzteres sprechen die Marktzahlen: Die ausgelieferte Kapazität bei rotierenden Enterprise-Festplatten betrug 2021 laut TEE Research/Gartner 964 Exabytes. (1 Exabyte = 1 MillionTerabyte) in 87 Millionen Einheiten. Die Enterprise-SSD-Kapazität lag bei 158 Exabytes in 67 Millionen Einheiten. Das bedeutet 86 Prozent Marktanteil für die rotierende HDD, 14 Prozent für die SSD.

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Wo Daten nahezu in Echtzeit abgefragt werden, ist die Solid State Drive mit einer PCIe-Anbindung auf jeden Fall überlegen. Zumal von derartiger Storage meist nicht übermäßig viel Kapazität benötigt wird.

Petabyte-Backend-Storage: Festplatte voll im Rennen

Doch wie sieht es ein oder zwei Ebenen tiefer aus? Zumindest großvolumige Backend-Storages im Petabyte-Bereich werden heute aus Kostengründen meist mit konventionellen Hard Disks implementiert. Manchmal befinden sich im System SSDs als lokale Storage, Cache oder für andere Zwecke.

Ein typischer Aufbau auf dieser Ebene sieht so aus: Intern sind die Festplatten meist über SAS12G oder SATA6G an einen entsprechenden Expander angebunden. Pro moderner 18-TB-Disk leistet die Schnittstelle rund 280 Megabyte pro Sekunde. Multipliziert mit der Zahl der Disks, ergibt sich die theoretische Gesamtbandbreite. Sie beträgt bei 36 Disks 10,1 GB/s, bei 60 Disks 16,8 GB/s (280 MB/s * 60).

Vom Expander werden die Daten an einen Host-Bus-Adapter weitergeleitet. Bei zwei Schnittstellen und Vierkanalkabel mit 1,2 GB/s pro Kanal ergibt sich eine Bandbreite zum Host-Bus-Adapter/RAID-Controller von knapp 10 GB/s.

PCI Gen3 macht bei 24 Festplatten schlapp

Vom HBA/RAID-Controller geht es dann über eine Achtkanalschnittstelle nach PCIe Gen3 mit 7,9 GB/s zum Host. Hier läuft alles gut bei Konfigurationen bis 24 Festplatten. Bei 36 Festplatten gibt es die ersten Bottlenecks, ab 60 wird es richtig eng: Es steht praktisch nur die Hälfte der optimal möglichen Bandbreite zur Verfügung. Die Konfiguration passt gut zu RZ-Netzwerken mit 10 bis 40 Gbps Bandbreite.

Wer dringend mehr Speed respektive Bandbreite braucht, musste bisher mehr oder weniger zwangsläufig zur schnelleren SSD greifen und die damit verbundenen Kosten in Kauf nehmen. Mit neuen Technologien wie PCIe Gen4 für die Anbindung des Adapters zum Host ändert sich das allerdings.

Storage-Insider-Podcast: Gespräch mit Rainer W. Kaese, Toshiba

Die Zukunft der HDD

Auf dem letzten Schritt vom HBA/RAID-Controller zum Host stehen mit PCIe Gen4 bei acht Kanälen nämlich 15,8 GB/s an der Host-Schnittstelle zur Verfügung; es wird also mehr weitertransportiert, als vom SAS-Expander geliefert wird.

Gen4 verlangt mehr SAS-Bandbreite

Hier empfiehlt sich die Implementierung von vier physischen Verbindungen zu jeweils vier Kanälen zwischen SAS-Expander und HBA. Dann stehen auf diesem Schritt nämlich 17,2 GB/s Übertragungskapazität und damit annähernd so viel wie auf dem letzten Schritt zum Host zur Verfügung. Mit weniger Verbindungen zwischen SAS-Expander und HBA/RAID-Controller wird auskommen, wer sich für SAS24G-Verkabelung entscheidet: Es kommen pro Kabel 9,6 GB/s zusammen. Der Verkabelungsaufwand ist geringer; allerdings sind heute noch keine SAS24G-basierten Enclosures verfügbar.

Noch mehr lässt sich herausholen, wenn vier Kabel der Qualität SAS24G mit vier Kanälen zwischen SAS-Expander und HBA/RAID-Controller eingesetzt werden. Dann stehen nämlich dort beinahe 40 GB/s zur Verfügung. Kombiniert man dies mit einer 16-Kanal-Hostschnittstelle, lassen sich auch auf dem letzten Schritt zum Host 31,5 GB/s nutzen.

Im Experiment: 60 HDDs gegen acht SSDs

Bis hierhin war dies alles allerdings graue Theorie. Ob sich auch in der Laborrealität die Versprechen von PCIe Gen4 einlösen lassen, untersuchte Toshiba mit einem auf der ISC nachgestellten Versuchsaufbau. Als Referenz diente ein System mit acht SSDs. Die SSD-Konfiguration hatte deshalb acht SSDs, weil deren Anschaffungspreis in etwa dem des Festplattensystems entsprach.

Verglichen wurde dieses Setting mit einem Gehäuse, in dem 60 Festplatten untergebracht und zu einem RAID-0-Array zusammengeschaltet waren. Letzteres war sinnvoll, da es um reine Bandbreitenmessungen ging. Mit Echtdaten beladen, wäre eine andere RAID-Konfiguration mit mehr Redundanz nötig, um die Daten zu schützen.

Die Festplatte bleibt Sieger bei Kapazität und Leistung

Im Einzelnen wurden als Betriebssystem Linux CentOS 7.9, als HBA/Controller ein Broadcom HBA9500-16e mit acht PCIex-Gen4-Kanälen, als Gehäuse das Promise VTrak J5960 und 60 SAS-Festplatten (Toshiba MG9SCA18TE zu je 18 TB) eingesetzt. Die Disks wurden für den Multipath-Betrieb konfiguriert, es wurden zwei Ein-Ausgabemodule und zweimal zwei Mini-SAS-HD-Kabel verwendet.

Das Ergebnis zeigt: Das preislich mit der 8-SSD-Konfiguration mit 102 TB vergleichbare Festplatten-Array erreichte nicht nur mit 1,08 PB eine erheblich höhere Speicherkapazität. Es war mit gut 13 GB/s auch noch schneller als die SSD-Implementierung mit rund acht GB/s.

Rainer Kaese, Senior Manager Business Development der Storage Products Division bei Toshiba Electronics Europe, im Gespräch mit Storage-Insider: „Diese Implementierung passt sehr gut zu RZ-Netzen mit 100 Gbps, aber auch 200 Gbps werden gut unterstützt.“

Noch größere Konfigurationen denkbar

Die schnellere PCIe4-Variante mit 16 Kanälen an der Host-Schnittstelle dagegen würde gut mit den bald kommenden 400-G-Netzen harmonieren. Kaese: „Betrachtet man sich die Preisstrukturen bei Festplatten und SSDs und die Leistungen, die mit PCIe Gen4 oder späteren Versionen zu erwarten sind, wird deutlich, dass die Festplatte in Systemen außerhalb der obersten Tiers noch jede Menge Zukunft hat.“ Ein Versuch mit 100 Festplatten in einem Gehäuse und einem Controller mit 16 PCIe-Gen4-Kanälen ist in Vorbereitung.

Den Weg zu ähnlichen Konfigurationen hat Supermicro mit seiner X12 Platform bereits beschritten. Die HBA/Controller für derartige Designs sind in der Regel etwas teurer als die für PCIe Gen3. Kaese erläutert dies: „Das ist angesichts von um die 20.000 Euro für das gesamte Storage-Subsystem ein relativ geringer Preisunterschied.“

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