Online-Umfrage, ob Software den teuren Flash-Speicher ausreizen kann, Teil 3

Nur wer den Storage-Flaschenhals kennt, kennt das richtige Gegenmittel

| Autor / Redakteur: Bernd Schöne / Rainer Graefen

Dr. Matthias Uflacker, Experte für Speichersysteme am Hasso Plattner Institut
Dr. Matthias Uflacker, Experte für Speichersysteme am Hasso Plattner Institut (Hasso Plattner Institut)

Auch wenn die Flash-Speicherpreise beständig sinken, ein bedingungsloser Schwenk auf den I/O-Beschleuniger kann teuer werden und trotzdem keinen Vorteil bringen. Storage-Insider sprach mit Matthias Uflacker vom Hasso Plattner Institut über die sich ändernde Speicherhierarchie und wie Anwender den größtmöglichen Nutzen aus ihr ziehen können. Manchmal ist klassisches RAID nicht zu schlagen.

Könnten Software-Produkte eine deutlich höhere Leistung erzielen, wenn die klassischen, auf drehenden Speicherplatten beruhenden Speichersysteme, durch SSD-Technik abgelöst würden?

Uflacker: Um die Software-Performance zu optimieren muss man zuerst den primären Flaschenhals bestimmen. Sollte dieser durch rotierende Festplatten verursacht sein, können Solid State Disks Abhilfe schaffen.

Vor allem in Systemen, in denen Speicherzugriffe nicht sequentiell erfolgen und hohe IOPS (Input/Output Operations per Second) benötigt werden, können Flash-Speichermedien enorme Vorteile bringen.

Erfolgt der Zugriff hingegen primär lesend und stark sequentiell, dann sind rotierende Festplatten in einem Raid-Verbund weiterhin eine effiziente Lösung.

Welche Anforderungen werden an moderne Software-Programmierung heute gestellt? Ist In-Memory ein Weg, der alle Hardware-Performance-Probleme auf Dauer lösen kann?

Uflacker: Wenn man die Entwicklungen der letzten Jahre sowie aktuelle Server-Produkte (wie z. B. Systeme mit bis zu 24 Terabyte Hauptspeicher und mehr) in Betracht zieht, lässt sich eindeutig sagen, dass Hauptspeicher für viele Szenarien keine limitierende Größe mehr darstellt. Gleichzeitig wird es durch das anhaltend starke Datenwachstum auch weiterhin Big-Data-Anwendungsfälle geben, die nicht vollständig im Hauptspeicher gehalten werden können.

Generell gilt aber, dass Software auf die jeweilig zugrundeliegende Speicherhierarchie zugeschnitten sein muss, um Hardware effizient nutzen zu können. Neben generellen Herausforderungen wie der Programmierung nebenläufiger Systeme und der Ausnutzung aktueller Multi-Prozessor-Architekturen wie NUMA (Non-Uniform Memory Access) gilt es in Hinblick auf Speichersysteme vor allem neue Speicherhierarchien effizient auszunutzen.

Statt der klassischen Unterteilung in Hauptspeicher und rotierende Festplatten gibt es in modernen Anwendungen heute vielschichtige Speicherhierarchien über PCIe- und SATA-angebundene SSDs, Netzwerkspeicher und mehr.

Darüber hinaus gibt es programmatisch weitere Wege die Performance von SSDs zu steigern, indem virtuelle File-Systeme das Betriebssystems umgehen und direkt auf das Speichermedium zugreifen.

Können SSDs und Flash-Speicher hier Abhilfe schaffen? Wo sollte Flash-Speicher installiert sein, damit auch unternehmenskritische Software davon profitieren kann? Im Server als SSDs oder besser noch als Flash-Speichermodule übers Netzwerk?

Uflacker: In unternehmenskritischen Anwendungen können SSDs enorme Vorteile bringen. Dies ist vor allem der Fall, wenn die Anwendung durch viele nicht-sequentielle Zugriffe dominiert wird und es hohe IOPS-Anforderungen gibt (Input/Output Operations per Second).

Da Netzwerkverbindungen in der Regel bereits langsamer als klassische RAID-Verbünde mit rotierenden Festplatten sind, ist es wenig sinnvoll SDDs über das Netzwerk anzubinden.

Die letzte Generation von SSDs reizen gar SATA-Anschlüsse leicht aus, wodurch momentan der Trend bei Anwendungen mit hohen Anforderungen zur Anbindung über den PCIe/NVMe Bus geht.

In der Forschung wird hier bereits an Wegen gearbeitet, den Speicher sogar noch näher an die Speicherkanäle der CPU heranzuführen. Die Industrie debattiert gerade eine Form von DRAM, die ein kontinuierliches Backup durch Flash erhalten.

Müssen die Anbieter ihre Lösungen für SSD/Flash anpassen? Wann wird der Anwender von diesen Anpassungen profitieren können?

Uflacker: Im Generellen müssen Anwendungen nicht angepasst werden. Gilt es jedoch die Performance zu maximieren, ist es sinnvoll Anwendungen für den Einsatz von Flash-Speicher zu optimieren.

Teilweise können ältere Softwaresysteme vereinfacht werden, weil Teile der Programmlogik einzig geschrieben wurden um die Nachteile von rotierenden Festplatten zu vermindern. Mit Hinblick auf die Schere zwischen CPU-Geschwindigkeit und Speichergeschwindigkeit dürfte sich diese sogar weiter öffnen.

Selbst angekündigte Speichertechnologien der kommenden Jahre sollen aller Voraussicht nach nicht die Performance des Speichermediums überdurchschnittlich erhöhen, sondern vor allem Vorteile in der Speicherdichte bringen.

Letztendlich lässt sich sagen, dass es auf absehbare Zeit für optimale Leistung weiterhin essentiell ist, Daten im Hauptspeicher vorzuhalten und Cache-Hierarchien der CPUs optimal auszunutzen.

Sind die neuen Techniken ein geeignetes Mittel, um rechnende und speichernde System zusammenzuführen?

Uflacker: Auch wenn es in Zukunft aller Voraussicht nach Verschiebungen zwischen den Leistungsfähigkeiten beider Systeme geben wird, wird sich an der aktuellen Situation wohl nicht grundlegend etwas ändern.

Der Hauptgrund ist, dass lokaler Speicher stets einen Geschwindigkeitsvorteil vor externem Speicher haben wird und daher externe Speicherlösungen nur zweite Wahl sind, wenn die Anforderungen an den Speicher hoch sind.

Die Vorteile für externen Speicher, also von NAS/SAN-Systemen, sind hingegen vor allem die Wartbarkeit, maximale Kapazität und Flexibilität. Diese Vorteile lassen sich nur schwer in gut ausgelastete rechnende Systeme übertragen.

Ist es Ihrer Meinung nach notwendig, die Schnittstellen der Speicherarrays für SSDs leistungsfähiger zu machen?

Uflacker: Leistungsfähige Schnittstellen sind natürlich stets von Vorteil. Auch heute schon überschreiten Speicher wie ioDrive2 von Fusion-io die Kapazitäten von klassischen SATA-Schnittstellen bei Weitem. Es wurden daher neue Schnittstellen wie NVMe entwickelt, welche Flash-Speicher über den PCI-Express Bus anbinden.

Schon mit Hinsicht auf extern angebundenen Speicher gilt es, die Schnittstellen leistungsfähiger zu machen. Schon heute lasten moderne Solid State Disks im RAID-Array die verfügbare Bandbreite aktuell weithin verbreiteter Fibre-Channel-Adaptern komplett aus.

Gibt es im Bereich der Forschung Überlegungen, das Zusammenspiel zwischen Speicher und Software weiter zu optimieren?

Uflacker: Forschung an einem optimalen Zusammenspiel gibt es hierzu in sehr vielen Feldern und auch mit Hinsicht auf vielerlei Aspekte wie z.B. Performance, Wirtschaftlichkeit, Stromverbrauch usw.

Am Hasso Plattner Institut wird z. B. unter anderen daran geforscht, wie neue byte-addressierbare und persistente Speicherlösungen wie Non-Volatile Memory (NVM) in modernen Hauptspeicherdatenbanken optimal genutzt werden können.

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