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Auf dem Weg zum disaggregierten Rechenzentrum Western Digital setzt auf NVMe oF und Storage-Zoning

| Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Dr. Jürgen Ehneß

Western Digital gehört zu den Großen der Speicherbranche. Mit seinen aktuellen Produkten bewegt sich der Hersteller von Storage aller Größenordnungen in die Richtung von Systemen, die wichtige Probleme von SSD-Speichern lösen und Disaggregation im Rechenzentrum möglich machen.

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Die NVMe-Festplatten Ultrastar DC SN 340 und 360 unterstützen Zoned Namespaces.
Die NVMe-Festplatten Ultrastar DC SN 340 und 360 unterstützen Zoned Namespaces.
(Bild: ©AliFuat - stock.adobe.com)

Bei einem Besuch in München gaben die Western-Digital-Manager Phil Bullinger, Senior Vice President und General Manager Data Center Systems, und Brian Cowger, Senior Technologist im selben Geschäftsbereich, einen Überblick über die aktuellen und demnächst zu erwartenden technologischen Entwicklungen ihres Unternehmens.

Cowger kommt von Kazan Networks, einem Unternehmen, das jüngst von Western Digital aufgekauft wurde. Kazan hat die NVMe-oF-Bridge Fuji entwickelt. Bei dieser sind alle Datenwege in Hardware implementiert, was zu Geschwindigkeitsvorteilen führt. Die von der Konkurrenz meist vorgelegten Lösungen arbeiten mit langsamerer Firmware.

Zum Hintergrund: NVMe oF überlagert bestehende Storage-Vernetzungen, die in der Regel auf Glasfaser und dem Fibre-Channel-Protokoll basieren, mit einer NVMe-Schicht und damit Ethernet-Technologie. So können die vorhandenen Glasfaserverbindungen der Storage-Netze von den Bandbreiten- und Geschwindigkeitsvorteilen von NVMe profitieren. Denn selbst wenn auf den Endgeräten NVMe implementiert war, bremsen die Regeln des Fibre-Channel-Storage-Netzes die Datentransporte aus.

NVMe-oF-Disaggregation

Mit NVMe oF ist es erheblich einfacher, Software-gesteuerte, disaggregierte Infrastrukturen zu realisieren. Bei ihnen sind Storage, Server und Netzwerkkapazitäten separat skalierbar und auch getrennt voneinander platzierbar. Sie werden über Web- respektive Software-Schnittstellen angesprochen und für den jeweils benötigten Zweck zeitweilig zusammengefügt. Ist dieser erfüllt, werden sie an den Pool zurückgegeben. „Composable-Infrastrukturen mit NVMe oF als Transporttechnologie sind nicht an ein Rack als Standort gebunden, sondern lassen sich räumlich beliebig im Rechenzentrum verteilen“, sagt Bullinger. Bis zu 300 Meter dürfen die Infrastrukturkomponenten auseinanderstehen, um nicht den Eindruck einer beinahe in Echtzeit erfolgenden Verarbeitung zu zerstören.

Die aufgekaufte Kazan reklamiert für ihren Chip beeindruckende Leistungsdaten: 2,8 Millionen IOPS schafft der Chip bei 4-Kbit/s-Datenpaketen. Werden 128-Kbit-Datenpakete über eine 100-Gbit/s-Ethernet-Pipe befördert, schafft der Schaltkreis nach Angaben von Kazan sogar 11,8 Gbit/s. Die Verzögerung beim Durchqueren des Chips liegt Kazan zufolge bei nur 430 Nanosekunden. Zudem ist der Chip laut Cowger sehr energiesparsam. Er hat nur eine Leistung von 7 Watt pro 100 Gbit.

„Wir können mit der durch NVMe oF möglichen Composable-Technologie das gängige Overprovisioning von Flash-Storage beenden“, sagt Cowger. Sogenannter „Dark Flash“, der gewissermaßen nur als Leistungsreserve in den fix konfigurierten Komponenten stecke, führe zu Speichernutzungsraten um die 40 Prozent. Besonders wichtig sei die Technologie für große Provider, weshalb sie Western Digital auch aktiv in die OCP (Open Compute Platform) einbringt.

Composable könnte Energie im Rechenzentrum sparen

Weitergedacht, könnten sich solche Architekturen auch energetisch auszahlen. Denn SSDs werden in der Regel längst nicht so heiß wie Prozessoren oder rotierende Festplatten. Lassen sie sich in anderen Räumen unterbringen, wäre es unter Umständen möglich, sie weniger aufwändig zu kühlen als die rechnenden Einheiten und so massiv Energie zu sparen. Ein Umstieg auf effizientere Kühltechnologien wie die flüssigkeitsbasierende Immersionskühlung wäre vielleicht leichter, wenn die kostbaren Daten nicht im Flüssigkühlungsbereich lagerten.

Der Zoning-Support des Linux-Kernels.
Der Zoning-Support des Linux-Kernels.
(Bild: zonedstorage.io)

Mit Openflex 3100 aus der Serie Openflex Composable Infrastructure hat Western Digital bereits ein Storage-System vorgestellt, das spezifisch für disaggregierte Umgebungen in Rechenzentren entwickelt wurde; weitere sollen folgen. Beispiele von Lösungen anderer Hersteller für Infrastrukturen nach dem Composable-Prinzip sind HPE Composable Fabric, HPE Synergy oder IBM Spectrum Scale.

Mit Zoning Flash sparen und Speed gewinnen

Noch auf einem anderen Bereich geht Western Digital derzeit neue Wege: Demnächst kommen mit Ultrastar DC SN 340 und 360 zwei NVMe-Festplatten für Cloud-Rechenzentren in 96-Layer-3D-NAND-Technologie auf den Markt. Ihre Besonderheit: Sie unterstützen Zoned Namespaces (ZNS).

Letzteres ist die NVMe-Variante von Zoned Storage. Das Zoned-Storage-Kommunikationsprotokoll auf der Transportschicht intensiviert die Kommunikation zwischen Datenquelle und Storage-Device, so dass Daten schon vor dem Schreiben auf das Speichermedium vorsortiert werden. Dann werden sie in größeren Blöcken, die voraussichtlich gemeinsam gespeichert und auch gelöscht werden, gemeinsam auf das Medium geschrieben und auch gemeinsam gelöscht. Das verhindert einen übermäßigen Verschleiß der teuren DRAMs durch Löschen vieler verstreuter Dateien und erneutes Beschreiben. Das nötige Overprovisioning verringere sich laut Bullinger dadurch um 90 Prozent. „Wir brauchen nur ein Achtel der sonst erforderlichen DRAMs“, sagt Bullinger.

Zoning-Support vom Linux-Kern

Der Linux-Kern unterstützt Zoning seit Version 4.10.0 und stellt entsprechende Funktionen und Treiber zur Verfügung. Applikationen werden durch die Abstraktion Zoned Block Devide (ZBD) bei der Nutzung entsprechender Speichermedien unterstützt, einer generischen Repräsentation von Zoned Storage unabhängig von Protokoll und Schnittstelle.

Rotierende Festplatten mit dem SMR-Aufzeichnungsverfahren (Shingled Magnetic Recording) realisieren den Zugriff auf die Zoned-Storage-Schnittstelle über die SCSI-Befehle Zoned Block Commands (ZBC) und Zoned Device ATA Command Set (ZAC). Derzeit wird an der endgültigen Fertigstellung der Spezifikation gearbeitet. Die Zoning-Technologie wird von der Open-Source-Community weiterentwickelt.

Demnächst breit verfügbar: 20 TB auf einer Platte

Die neuen 18/20-Terabyte-Platten aus der Ultrastar-Linie mit ePMR-Technologie sind in Samples bereits verfügbar und kommen demnächst in Stückzahlen.
Die neuen 18/20-Terabyte-Platten aus der Ultrastar-Linie mit ePMR-Technologie sind in Samples bereits verfügbar und kommen demnächst in Stückzahlen.
(Bild: Western Digital)

Zudem sind bereits Samples der ersten 18/20-Terabyte-Festplatte auf den Markt, die im September angekündigt wurde. Die Komponente verwendet electrically-assisted Perpendicular Magnetic Recording (ePMR). Ein spezielles Bauelement, ein sogenannter Spin Torque Oscillator (STO), erzeugt durch Mikrowellen ein elektromagnetisches Feld am Schreibkopf, das diesen noch genauer platziert und daher eine engere Spurführung ermöglicht. Die 18-TB-Variante (Ultrastar DC HC550) benutzt konventionelles magnetisches Aufzeichnen (CMR), die 20-TB-Variante SMR, woher die höhere Kapazität rührt. Beide verwenden im Inneren der Platte eine Heliumatmosphäre und enthalten neun rotierende Platten.

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lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger