Auf dem Weg zur Lichtgeschwindigkeit

PCIe 4.0 Bus erstmals erfolgreich für 5G- und KI-Anwendungen validiert

| Autor / Redakteur: Maurizio Riva** / Dr. Jürgen Ehneß

PCIe garantiert hohe Prozessgeschwindigkeiten.
PCIe garantiert hohe Prozessgeschwindigkeiten. (Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Das Cloud-Zeitalter stellt die Rechenzentren vor neue Herausforderungen. Denn um die gewünschten Services schnell und in hoher Qualität bereitstellen zu können, muss die technologische Infrastruktur zum Verarbeiten immer größerer Datenmengen stark ausgebaut werden.

Vor allem in den Unternehmen zeigt die Kurve des Datenwachstums immer steiler nach oben. Informationen des Online-Portals „Statista“ zufolge könnte die digitale Datenmenge weltweit bis zum Jahr 2025 auf 175 Zettabyte anwachsen – eine schwer vorstellbare Zahl mit 21 Nullen –, wobei mehr als die Hälfte des Volumens auf Unternehmensdaten entfällt. Daten, die nicht nur übertragen und verarbeitet, sondern auch mit einer möglichst niedrigen Latenzzeit gespeichert werden müssen, idealerweise: sofort.

Man kann also davon ausgehen, dass der künftige Erfolg von mittelständischen und großen Unternehmen von der richtigen Speicherstrategie maßgeblich mitbestimmt wird. Laut einer Studie des Beratungsunternehmens Deloitte sind es vor allem Anwendungen wie 5G und IoT, Analytics- und KI-Lösungen sowie neue Anything-as-a-Service-Geschäftsmodelle (XaaS), die dem deutschen Tech-Sektor in den kommenden beiden Jahren ein jährliches Wachstum von je circa fünf Prozent bescheren könnten. Das sind sieben Prozent mehr als das geschätzte Wachstum des Bruttoinlandsprodukts im selben Zeitraum. Damit das möglich wird, müssen jedoch einige Voraussetzungen erfüllt sein. Denn alle diese Anwendungen erfordern eine extrem hohe Speicherleistung mit sehr niedrigen Latenzen.

Integration statt Silos

Trotzdem ignorieren viele Datacenter-Betreiber immer noch den Trend der Zeit und setzen auf sogenannte Silolösungen, ein IT-Infrastrukturkonzept, bei dem die einzelnen Anwendungsschritte wie zum Beispiel Storage als separate Disziplinen konzipiert sind. Hochgeschwindigkeitsübertragungen und -speichervorgänge, wie sie moderne Geschäftsprozesse im Zeitalter von Big Data erfordern, sind auf dieser Basis nicht möglich. Dafür bedarf es einer integrierten, leistungsfähigen Netzwerkinfrastruktur, die neben einer hohen Rechenleistung über eine große Netzwerkbandbreite sowie virtualisierte Server und Hochleistungsdatenbanken verfügen sollte.

Doch selbst eine hochintegrierte, ultraschnelle IT-Infrastruktur allein reicht nicht mehr aus, um in der heutigen, zunehmend digitalen Ökonomie wettbewerbsfähig zu bleiben. Die verwendeten Systeme und IT-Lösungen müssen auch reibungslos in den unterschiedlichsten Szenarien zusammenspielen. Hochvernetzte Systemwelten können nur dann mit der erforderlichen Präzision funktionieren, wenn sie in der Lage sind, ihre Daten und Informationen untereinander fehlerfrei und mit der benötigten Geschwindigkeit auszutauschen.

PCIe: Garant für hohe Prozessgeschwindigkeiten

Schon lange träumen Datenexperten davon, ihre Informationen mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen und zu speichern. Eine Wunschvorstellung, die, zumindest vorerst noch, nicht umsetzbar ist. Mit dem PCI-Express-Standard (PCIe) ist jedoch eine Technologiearchitektur auf dem Markt, die sich zumindest auf den Weg dorthin befindet. Die High-Speed-Bus-Architektur für den Computer ist mittlerweile für die Verbindung nahezu aller internen Computerkomponenten zum Branchenstandard geworden. Der PCIe-Bus ist vor allem für Betreiber von Servern interessant, die den Datendurchsatz von Netzwerkkarten und SSDs erhöhen möchten. Vermutlich spielt keine andere Computertechnologie eine so bedeutende Rolle, wenn es darum geht, die Nachfrage nach immer höheren Prozessgeschwindigkeiten und Bandbreiten zu erfüllen.

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Beim PCIe handelt es sich um eine schnelle, interne Schnittstelle für Erweiterungskarten in Computersystemen. Sie stellt die Verbindungen zwischen Prozessor und Speicher des Computers sowie anderen Komponenten und Peripheriegeräten her und kann dank der enorm hohen Übertragungsleistung letztlich die Geschwindigkeit eines Prozesses maßgeblich beeinflussen. Einem 2019 veröffentlichten Fachbeitrag zufolge können Systeme mit PCIe-Standard theoretisch beim Schreiben Geschwindigkeiten von über 2.500 Megabyte pro Sekunde erreichen, beim Lesen von Daten sind sogar 3.400 Megabyte pro Sekunde möglich. Mit der zunehmenden Verbreitung von PCIe als Standard wurde diese Schnittstelle auch für eine Vielzahl anderer Komponenten wie USB, Bluetooth oder Videokarten übernommen, wodurch zum Beispiel Technologien wie Video-Controller und Speichergeräte erst möglich wurden. Dank PCIe haben sich nicht zuletzt die Grafikdarstellung und die Computerleistung in den vergangenen zehn Jahren deutlich verbessert.

Seit Einführung der PCIe-Technologie im Jahr 2003 konnte die Datenübertragungsrate mit jeder neuen Generation verdoppelt werden. So auch beim PCIe-4.0-Standard, der eine Bitrate von 16 GT/s aufweist (gegenüber 8 GT/s bei PCIe 3.0). Doch eine Schnittstelle mit doppelter Bitrate garantiert nicht automatisch einen doppelt so schnellen Prozess. Ob die zur Verfügung stehende Übertragungsrate überhaupt genutzt werden kann, hängt in erster Linie von der Beschaffenheit der Netzwerkumgebung ab. Sie muss nicht nur genügend Speicher bieten, sondern auch PCIe-4.0-kompatibel sein. Zudem sollte ihr Mainboard ebenfalls PCIe 4.0 unterstützen, was aktuell nur Hauptplatinen mit AMDs X570-Chipsatz können. Bei Anwendungsgruppen, zum Beispiel Eco-Systemen, in denen unterschiedliche Partner sich mittels digitaler Plattformen zusammentun, um Leistungen und Know-how untereinander auszutauschen, muss außerdem sichergestellt sein, dass auch die Lösungen der System-Partner PCIe-fähig sind. Sonst besteht die Gefahr, dass die gewünschte, doppelt so hohe Prozessgeschwindigkeit am Ende nicht erreicht werden kann.

Know-how gemeinsam validieren

Erstmals haben jetzt Eco-System-Partner ihre Systemlösungen für den PCIe-4.0-Standard erfolgreich validiert und können so ihren Datacenter-Kunden einen Leistungsnachweis an die Hand geben, der diesen garantiert, dass die versprochene Leistungssteigerung für 5G- und KI-Anwendungen auch tatsächlich erbracht werden kann. Die beiden Tests wurden von Quanta Cloud Technology (QCT), einem Anbieter von Datacenter-Lösungen, in Zusammenarbeit mit AMD, Broadcom, Kioxia, Mellanox und Samsung durchgeführt und ergaben bei allen getesteten Komponenten eine Verdoppelung der Datenübertragungs- und Speicherrate gegenüber dem Vorgängerstandard PCIe 3.0 (Testdetails siehe Kasten).

„Der PCIe-4.0-Standard stellt einen großen Durchbruch in der peripheren Konnektivität dar“, erklärt Mike Yang, Präsident von QCT. „Deshalb haben wir die PCIe-4.0-fähigen Lösungen unserer Partner Broadcom, Kioxia, Mellanox und Samsung für die Nutzung auf unseren neuesten AMD-EPYC-Servern validiert. So kann der Markt diese zukunftsweisende Rechenleistung so früh wie möglich uneingeschränkt nutzen.“

Die gemeinsamen Tests der eigentlich miteinander konkurrierenden Unternehmen markieren aber auch eine Trendwende. Denn längst geht es nicht mehr ausschließlich darum, Systeme oder Datacenter digital zu vernetzen. Vielen Unternehmen fehlt schlicht das Know-how, um die Herausforderungen, die KI, 5G oder das Internet of Things mit sich bringen, im Alleingang zu bewältigen. Einer Studie zufolge, die Crisp Research AG in Kooperation mit der maincubes one GmbH und Axel Springer hy GmbH durchgeführt hat, möchte die Mehrzahl der befragten Unternehmen (59 Prozent) gemeinsame Lösungen und Produkte mit Partnern entwickeln, wobei fast ein Drittel in dieser Vernetzung die Zukunft und in geschäftlichen Eco-Systemen einen hohen strategischen Erfolgsfaktor sieht. Für den langfristigen Erfolg dieses neuen Geschäftsmodells könnten gemeinsame Validierungen der entscheidende Faktor sein.

Testbeschreibung (Quelle: QCT)

Die Tests wurden in zwei Stufen auf Basis der Microsoft-Lösung Azure Stack HCI in Kombination mit dem QCT-Server QuantaGrid D43K-1U durchgeführt.

Verwendete Systeme


  Server
  

  QuantaGrid D43K-1U mit
  AMD-EPYC-7002-Series-
  Prozessoren
  

  
  

  CPU
  

  AMD EPYC 7742
  

  
  

  NVMe
  

  Kioxia CM6 7.68TB
  (PCIe 4.0)
  

  Kioxia CM5 7.68TB
  (PCIe 3.0)
  

  
  

  Samsung PM1733
  (PCIe 4.0)
  

  Samsung PM1723b
  (PCIe 3.0)
  

  NIC
  

  Broadcom NetXtreme-E
  Dual-port (PCIe 4.0)
  

  Broadcom NetXtreme-E
  Single-port (PCIe 3.0)
  

  
  

  Mellanox MCX516A-CCAT
  Dual Port (PCIe 4.0)
  

  Mellanox MCX515A-CCAT
  Single Port (PCIe 3.0)
  

Testergebnisse

1. Doppelte Speicherrate mit PCIe 4.0

Auf einem Azure Stack HCI Windows Server Cluster mit zwei Knoten wurde mittels einer VM-Fleet-Simulation die Speicherleistung von PCIe 4.0 und PCIe 3.0 verglichen. Verwendet wurde eine NVMe-Software-Schnittstelle. Der Test ergab für PCIe 4.0. eine doppelt so hohe Speicherrate.


  
  

  NVMe
  

  
  

  Bare Metal
  
S2D 2-Way Mirror

  
  

  PCIe 4.0
  

  PCIe 3.0
  

  PCIe 4.0
  

  PCIe 3.0
  

  Durchsatz
  

  6,8 GB/s*
  

  3,27 GB/s*
  

  6,52 GB/s*
  

  3,07 GB/s*
  

*höchster Durchsatz

2. Doppelt so schnelle Datenübertragen bei Upgrade auf PCIe 4.0 möglich

Die Daten einer 100-GbE-NICs-Netzwerkkarte (PCIe 4.0) wurden jeweils mit PCIe 3.0 und PCIe 4.0 übertragen, wobei die Datenübertragungsrate mit dem PCIe-4.0-Standard durchschnittlich 1,9-mal schneller war.


  
  

  NIC (Dualport)
  

  NIC (Singleport)
  

  
  

  PCIe 4.0
  

  PCIe 3.0
  

  Zeit
  

  47 s*
  

  88 s*
  

  Durchsatz
  

  22,5 GB/s*
  

  12,2 GB/s*
  

*bestes Ergebnis

Maurizio Riva, VP bei Quanta Cloud Technology (QCT) EMEA.
Maurizio Riva, VP bei Quanta Cloud Technology (QCT) EMEA. (Bild: QCT)

**Der Autor: Maurizio Riva, VP bei Quanta Cloud Technology (QCT) EMEA

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