Schnellere Datenautobahn für Turbo-Speicherdisk gesucht

PCI Express soll die zukünftige SSD-Performance zum Prozessor bringen

| Autor / Redakteur: Elmar Török / Rainer Graefen

Zwischen Festplatte (HDD) und Hauptspeicher (DRAM) befindet sich eine interessante Leistungslücke von etwa zehn Millisekunden. In dieser Zeitspanne lassen sich mit geringen Mehrkosten mehrere Zehntausend I/Os durch den Prozessor verarbeiten, der ja bekanntlich die meiste Zeit "idle" ist, also untätig auf die nächste Information wartet. Kosten senkend kann sich zudem auswirken, dass bei direkter Anbindung von Flash-Speicher an den CPU-Chipsatz sieben bis zehn Watt Energiezufuhr einzusparen sind und weitere zehn Dollar durch den Verzicht auf einen Hostbus-Adapter anfallen. Um dieses Sparpotenzial freizusetzen, sind allerdings Standardtreiber mit generischen Funktionalitäten notwendig, die herstellerspezifische Zertifzierungen überflüssig machen.
Zwischen Festplatte (HDD) und Hauptspeicher (DRAM) befindet sich eine interessante Leistungslücke von etwa zehn Millisekunden. In dieser Zeitspanne lassen sich mit geringen Mehrkosten mehrere Zehntausend I/Os durch den Prozessor verarbeiten, der ja bekanntlich die meiste Zeit "idle" ist, also untätig auf die nächste Information wartet. Kosten senkend kann sich zudem auswirken, dass bei direkter Anbindung von Flash-Speicher an den CPU-Chipsatz sieben bis zehn Watt Energiezufuhr einzusparen sind und weitere zehn Dollar durch den Verzicht auf einen Hostbus-Adapter anfallen. Um dieses Sparpotenzial freizusetzen, sind allerdings Standardtreiber mit generischen Funktionalitäten notwendig, die herstellerspezifische Zertifzierungen überflüssig machen. (Grafik: NVMe Working Group)

SSDs revolutionieren Massenspeicher nicht nur im Server-Bereich. Doch mittlerweile erreichen die klassischen Schnittstellen zur Anbindung der Flash-Disks ihre Grenzen. Der im März 2012 verabschiedete Standard NVMe soll für lange Zeit Abhilfe schaffen.

Kaum ein Thema bewegt die Massenspeicherwelt im Moment stärker als SSDs. Der Markt ist hart umkämpft, Preisverfall und die zu jeder Zeit steigenden Ansprüche an die Serverleistung sorgen für eine hohe Nachfrage. Viele der ursprünglichen technischen Kinderkrankheiten sind mittlerweile ausgemerzt, die aktuell angebotenen Laufwerke glänzen mit Praxistauglichkeit und enormen Durchsatzraten.

Und die kürzlich vorgestellte Intel SSD-910 soll beispielsweise einen Durchsatz von zwei GByte pro Sekunde liefern können. Das wären 16 GBit pro Sekunde und das würde dann sogar die 12 GBit SAS-Schnittstelle überfordern. Für die im Servereinsatz üblichen Verbindungstechniken wie SAS oder SATA sind das keine guten Nachrichten, sie können schlichtweg nicht mehr Schritt halten.

An PCIe führt kein Weg vorbei

Diese Entwicklung war schon länger absehbar, so dass viele SSD-Hersteller einen anderen Weg gingen und PCI Express zur Anbindung von schnellem Flash-Speicher nutzten. SSDs mit PCIe sind seit 2007 auf dem Markt. Schon jetzt gibt es über 40 Hersteller, im nächsten Jahr sollen es 100 sein.

Die Attraktivität der Bus-Schnittstelle liegt auf der Hand: Bis zu 16 parallele Lanes schaffen maximal 16 GByte/s bei PCIe Gen 3. Das reicht für aktuelle SSD-Modelle und bietet genug Spielraum, um auch Neuentwicklungen in naher Zukunft nicht auszubremsen. PCI Express fing seine Karriere allerdings nicht als Bus-System für Massenspeicher an, sondern als schneller interner PC-Bus.

PCIe SSDs sind also fast immer als Einsteckkarte ausgeführt, was im Serverbereich zu allen möglichen Problemen führt. Zum einen sind viele Server so flach, dass sie nur, wenn überhaupt, einen PCIe-Slot aufweisen und den nicht mit der maximal möglichen Anzahl an Lanes. Dass Administratoren ihre Server nur ungern herunterfahren, aus dem Rack ausbauen und aufschrauben, um eine neue Festplatte zu installieren, kommt noch dazu. Zum anderen nutzen die aktuellen PCIe SSDs proprietäre Treiber, die nur auf das jeweilige Disk-Modell zugeschnitten sind. Das verzögert die Entwicklung und sorgt für eine zusätzliche Fehlerquelle im System.

Ein erster Standard, der die Entwicklung nicht ausbremst

Es war also höchste Zeit für eine Initiative wie NVM Express 1.0. Der Standard wurde im März 2012 verabschiedet und wird durch die NVMe Work Group (www.nvmexpress.org) von mehr als 80 Firmen mitgetragen. Ein Ziel: Nicht jeder Hersteller sollte das Rad, also den Treiber für die entsprechenden Betriebssysteme, neu erfinden.

Ein gemeinsamer Treiber, am besten bereits Bestandteil der Codebasis des Betriebssystems bei der Auslieferung, würde den Einsatz deutlich vereinfachen. Also ganz ähnlich der SATA-Spezifikation, die auch ab Werk praktisch jede Festplatte erkennt. Zudem würde ein gemeinsamer Standard Schluss machen mit unterschiedlichen Implementierungen von PCIe, ein Plus für die Interoperabilität.

An der University of New Hampshire (UNH) gibt es bereits ein Konsortium, das die notwendigen Voraussetzungen für Interoperabilität-Tests ausarbeitet. Es soll unabhängig vom Hersteller die Einhaltung des NVMe-Standards und die Kompatibilität mit Geräten anderer Firmen überprüfen.

Nur der SCSI-Kommandosatz wird überleben

Natürlich hat NVMe auch auf einer etwas tieferen Ebene Auswirkungen. Alle bisher zur Anbindung an Massenspeicher genutzten Busse wurden im Prinzip für magnetische Plattenspeicher konzipiert. NVMe ist ganz klar für SSDs konzipiert, viel Ballast, der mit SATA oder SAS über die Jahre mitgeschleppt wurde, könnte dadurch verschwinden.

Dabei geht es aber vor allem um den Befehlssatz, die NVMe Work Group sorgt durchaus für eine Verbindung zu älteren Technologien, vor allem SCSI. Auf der Website gibt es ein Dokument, in dem die Zuordnung von SCSI zu NVMe beschrieben wird. Die Autoren gehen davon aus, dass diese Zuordnung als eigene Schicht innerhalb des NVMe-Treibers stattfinden könnte.

Wie gut oder ob das überhaupt funktioniert, steht noch in den Sternen. Ein Brancheninsider bezweifelte die Nutzbarkeit einer solchen zusätzlichen Schicht und war generell wenig angetan von NVMe als Massenspeicher-Bus im Enterprise-Bereich. Seiner Ansicht nach wurde SAS speziell für Speicheranwendungen entwickelt und hat daher große Vorteile in der Architektur.

PCI Express hingegen musste bei seiner Entwicklung völlig anderen Vorgaben entsprechen und wird nun nachträglich mit Funktionen zum Massenspeicherzugriff überladen. Ob das stimmt, wird man erst in einigen Monaten sehen, gerade stellen Anbieter die ersten Prototypen von NVMe SSDs vor.

Wichtige Äußerlichkeiten

Einige Treiber für Windows-, FreeBSD- und Linux-Betriebssysteme wurden bereits veröffentlicht. Weil möglichst viele Beteiligte Zugriff auf den Code haben sollen, wurde der Windows-Treiber unter eine BSD-Lizenz gestellt. Bei Linux ist es eine GNU General Public-Lizenz, der Treiber ist bereits Bestandteil des Kernels 3.3. Neuigkeiten gibt es auch bezüglich des Formfaktors. Hersteller und Marktteilnehmer zugleich sind mit der aktuellen Standardimplementierung als Einsteckkarte nicht glücklich.

Carter George, Executive Director of Storage Strategy bei Dell, sagte kürzlich in einem Interview, dass der notwendige Einbau in den Server den Einsatz von PCIe SSDs bei bereits vorhandenen Geräten unnötig erschwert. In den aktuellen Dell Server-Modellen gibt es von vorn zugängliche Schächte, die NVMe SSDs aufnehmen können. Dazu nutzt Dell einen SFF8639 genannten Steckverbinder, der zum SFF-8482-Stecker (SATA) kompatibel ist.

Dazu sind natürlich auch die passenden SSDs im Einschubformat notwendig. Darum kümmert sich die SSD Small Form Factor Working Group. Sie soll eine leistungsfähige PCIe SSD in einem Standardformat entwickeln, das skalierbar, wartungsfreundlich und Hot-Plug-fähig ist. Die 2,5“-PCIe-Disk verfügt über einen Kombi-Anschluss und kann auch in Umgebungen mit SAS/SATA-Platten genutzt werden. Die ersten Modelle kommen vom SSD-Anbieter Micron.

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