Kommentar Markus Grau, Pure Storage

NVMe wird Mainstream

| Autor / Redakteur: Markus Grau* / Tina Billo

Das superschnelle NVMe-Protokoll hält zunehmend Einzug in die Speicherwelt. 2019 könnte es sich zum Mainstream entwickeln.
Das superschnelle NVMe-Protokoll hält zunehmend Einzug in die Speicherwelt. 2019 könnte es sich zum Mainstream entwickeln. (Bild: gemeinfrei - Benjamin Wiens / Pixabay / CC0)

Vor fünf Jahren war Non-Volatile Memory Express (NVMe) eine interessante, aber letztendlich nur für Nischen interessante Speichertechnologie. Inzwischen erobert das superschnelle Protokoll in rasantem Tempo die Welt der professionellen Speichersysteme. Ausschlaggebend hierfür sind verschiedene Faktoren.

Im Laufe der Zeit fand das NVMe-Protokoll aufgrund seiner Fähigkeit, den Engpass bei SAS (Serial-attached SCSI) durch Tausende von Warteschlangen zu ersetzen, in Smartphones und Laptops weite Verbreitung. Diese kleinen Geräte benötigen einen effizienten Zugriff auf ihren Speicher. Aufgrund verschiedener Treiber nimmt die Nachfrage nach dem superschnellen Protokoll auch im Umfeld von Storage-Systemen konstant zu.

Ein Grund hierfür ist, dass All-Flash-Speicherarchitekturen durch die SAS-basierte serielle Konnektivität grundsätzlich eingeschränkt sind. Unabhängig davon, wie viele CPU-Kerne verwendet werden oder wie dicht der Flash-Speicher ist, mussten bislang alle Daten seriell übertragen werden. Mit Tausenden von Warteschlangen ermöglicht NVMe nun Rechen- und Speicherfunktionen für eine massiv parallele Kommunikation, sodass alles schneller vonstattengeht.

NVMe beseitigt Flaschenhälse

NVMe ist ein Protokoll, das die Kommunikation zwischen CPUs und Solid State Drives (SSD) beschleunigt. Es ersetzt das bestehende SCSI-Protokoll, das es seit mehr als drei Jahrzehnten gibt. SCSI stellt eine Nachricht in eine Warteschlange, was im Wesentlichen ein Stapel von Befehlen ist, die das Gerät nacheinander ausführen wird.

Unabhängig davon, wie fortschrittlich oder teuer das Netzwerk, das das SCSI-Protokoll nutzt, ist, kann aber jeder Befehl nur einzeln ausgeführt werden. In der neuen NVMe-Welt wird dieser Engpass im Backend aller Flash-Arrays durch massive Parallelität beseitigt. Dies bedeutet bis zu 64.000 Warteschlangen und Lockless-Verbindungen, die jedem CPU-Kern einen dedizierten Warteschlangenzugriff auf jede SSD ermöglichen.

NVMe-oF steht bereits am Start

Während NVMe bei Smartphones & Co. Wunder bewirkt hat, besteht der nächste Schritt darin, diese Vorteile auf Systeme zu übertragen, die über ein Netzwerk mit dem Speicher verbunden sind – und nicht über PCI-Express. Es gibt einen offenen, herstellerunabhängigen Standard, um dies zu lösen: NVMe over Fabrics (NVMe-oF), die Erweiterung von NVMe auf Ethernet- und Fibre-Channel-Speichernetzwerke.

NVMe-oF verwendet den schlanken NVMe-Befehlssatz und das effiziente NVMe-Queueing-Modell. Hinzu kommt eine abstrakte Schnittstelle, mit der der PCIe-Transport durch andere Transporte ersetzt werden kann, die eine zuverlässige Datenübertragung ermöglichen.

NVMe nimmt an Fahrt auf

NVMe wird in diesem Jahr zunehmend auch für große Unternehmen eine Rolle spielen. Das schnelle, zeitgemäße Protokoll kann alles im Netzwerk eines Unternehmens beschleunigen, einschließlich Datenbanken, virtualisierten und containerisierten Umgebungen, Entwicklerinitiativen sowie webbasierten Anwendungen.

Tatsächlich wird das enorme Durchsatzplus von NVMe gegenüber SAS erforderlich sein, um die Vorteile der zukünftigen Entwicklungen bei Multicore-CPUs, superdichten SSDs, neuen Speichertechnologien und Hochgeschwindigkeitsverbindungen auszuschöpfen. Dies betrifft insbesondere Anwendungen wie künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Automatisierung.

Datenintensive, komplexe Branchen wie der Finanzsektor und E-Commerce sind besonders gut positioniert, um davon zu profitieren. Es ist kein Geheimnis, dass schnellere Transaktionen pro Sekunde mehr Umsatz pro Sekunde bedeuten. NVMe ermöglicht es dem gesamten System eines Unternehmens, schneller zu arbeiten und damit direkt das Geschäftsergebnis zu steigern.

Geschwindigkeit zählt

NVMe-oF bietet bereits eine konsistente Leistung mit niedriger Latenzzeit. Jetzt geht es um das letzte Puzzleteil, damit diese Technologie bei großen Unternehmen wie Banken oder Fluggesellschaften breite Akzeptanz findet: die Bereitstellung einer End-to-End-Fähigkeit, indem NVMe-oF für die Frontend-Konnektivität hinzugefügt wird.

Dies gilt insbesondere für Umgebungen, die eine bessere Leistung, noch geringere Latenzzeiten und weniger Rechenaufwand anstreben. NVMe-oF macht all dies möglich. Wenn eine Technologie einen klaren Einfluss auf den Geschäftserfolg haben kann, ist es schwer vorstellbar, dass sie sich nicht durchsetzen wird.

Herkömmliche Technologie kann nicht mithalten

NVMe-oF bedeutet, dass auf den gesamten Speicher in Mikrosekunden zugegriffen werden kann. Für die Endbenutzer gibt es somit keinen Unterschied mehr zwischen lokalem Speicher und entferntem, mit Hochgeschwindigkeits-Netzwerken verbundenen Speicher. Jedes Unternehmen, dessen Geschäft auf einer Datenbank läuft, wird davon profitieren, so dass es nur logisch ist, dass die NVMe-Revolution in diesem Jahr einen weiteren Schritt nach vorne machen wird.

Wenn dies passiert, könnten Speicherarchitekturen, die nicht für NVMe vorbereitet sind, und davon gibt es viele, zurückfallen. So können beispielsweise herkömmliche Arrays und Flash-Retrofit-Systeme wahrscheinlich nicht auf 100 Prozent NVMe aufgerüstet werden – und werden nicht in der Lage sein, die vielversprechenden Vorteile dieser besonders effizienten Technologie nutzbar zu machen.

Der Autor: Markus Grau ist Principal Systems Engineering bei Pure Storage.
Der Autor: Markus Grau ist Principal Systems Engineering bei Pure Storage. (Bild: Pure Storage)

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