Speichertechnologien: Flash-Storage

Wie sich Flash-Speichersysteme optimal einsetzen lassen

| Autor / Redakteur: Stefan Roth* / Dr. Jürgen Ehneß

Hauptsache: Flash – aber auch da gibt es Unterschiede!
Hauptsache: Flash – aber auch da gibt es Unterschiede! (Bild: ©vladimircaribb - stock.adobe.com)

Flash-Speicher sind auf dem besten Weg, Festplatten in vielen Storage-Systemen zu ersetzen. Allerdings gibt es mehrere Technologien, die in Flash-basierten Storage-Arrays zum Einsatz kommen. Welche zum Zuge kommen sollte, hängt von den Applikationen ab.

In einem Großteil der Anwendungsfelder haben Solid State Drives (SSDs) herkömmliche Festplatten ersetzt. Das gilt auch für Speichersysteme. Doch Flash ist nicht gleich Flash. Neben SSDs kommen in Speichersystemen für Rechenzentren Technologien zum Einsatz wie etwa Flash-Speicher, die das Protokoll NVMe (Non-Volatile Memory Express) nutzen. Es tritt an die Stelle von SCSI und bietet eine deutlich höhere Performance. Zudem haben Anwender die Option, Hybrid-Storage-Systeme zu verwenden, die Flash-Speicher mit Hard Disks kombinieren. Ein weiterer Trend ist NVMe over Fabrics (NVMe oF).

Ansatzpunkt: die Anforderungen der Applikationen

Welche Speicher- beziehungsweise Flash-Technologie verwendet wird, hängt von den Anforderungen der Workloads ab. Diese lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

1. Solche, die auf Daten zurückgreifen, die sich relativ selten ändern und keine sonderlich hohen Anforderungen in Bezug auf die Antwortzeiten und Performance von Storage-Systemen stellen. Beispiele sind Office-Pakete und Lösungen für das Archivieren von Daten. Aber auch sogenannte Data-Lakes, also die Speicherung von Massendaten für spätere Analysen, IOT, Archive und vieles mehr benötigen eine kostengünstige Architektur mit hoher Skalierung.

2. Dem stehen Workloads gegenüber, die durch eine große Dynamik und hohe Anforderungen an die Performance geprägt sind. Dazu zählen Produktionsapplikationen, KI-Anwendungen, Microservices, Web-Server, Online-Shops, Big Data & Analytics, das Internet der Dinge und DevOps-Umgebungen, eben alle geschäftskritischen Applikationen.

Für die erste Gruppe von Workloads kommen sowohl hybride Speichersysteme mit SSDs und Harddisks als auch Scale-Out-Architekturen in Betracht. Sie kombinieren Storage-Tiers in einem System: SSDs mit einem SAS-Interface (Serial-Attached SCSI) sind auf der ersten Ebene (Tier 1) für Anwendungen verfügbar, die kurze Latenzzeiten erfordern. Preisgünstigere NLSAS-Festplatten dienen auf der zweiten Ebene (Tier 2) für das Speichern von Informationsbeständen, die nicht im schnellen Zugriff sein müssen.

All-Flash für gehobene Ansprüche

Die meisten SSD-Laufwerke sind heutzutage mit einer SAS-Schnittstelle ausgestattet; hier liegt die Datentransferrate bei 12 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s). Dies gilt für die aktuelle Version 3 der SAS-Spezifikation. Die Version 4 des SAS-Standards stellt zwar 24 Gbit/s bereit, doch entsprechende SSDs und Festplatten sind am Markt noch nicht verfügbar. Unternehmen haben zwar alle Freiheiten, um Daten je nach Anforderungen zu bedienen, dennoch sollten sie sich entsprechende Gedanken und Konzepte machen, um die Systeme optimal auszulasten und am Ende Kosten zu sparen.

Doch nicht nur wegen der geringen Betriebs- und Anschaffungskosten ist All-Flash-Storage im „Mainstream“ angekommen. SSDs haben auch in puncto Speicherkapazität klassische SAS-Festplatten überflügelt. So entwickelt Seagate eine SSD mit 60 Terabyte (TB) Kapazität. Das amerikanische Unternehmen Nimbus Data hat ein Solid State Drive im Format 3,5 Zoll mit 100 TB vorgestellt. Laut einer Studie des deutschen Marktforschungshauses Crisp Research setzen derzeit 70 Prozent der Unternehmen All-Flash-Arrays ein oder sind dabei, AFAs zu implementieren.

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Gängige AFAs sind mit SSDs ausgestattet, die über unterschiedliche Schnittstellen an ein Storage Area Network (SAN) angebunden werden: Fibre Channel (FC), SCSI, Infiniband und SAS. Solche Storage-Systeme stellen Anwendungen einen konstant schnellen Speicher zur Verfügung – mit Latenzzeiten von weniger als einer Millisekunde und hohen IOPS-Raten (Input/Output Operations per Second). Die Fujitsu ETERNUS AF250 S2 erreicht beispielsweise bis zu 430.000 IOPS und stellt bis zu 1.475 TB an SSD-Kapazität bereit. Das ist auch für anspruchsvolle Business-Analytics-Lösungen und Datenbanken mehr als ausreichend. Für höhere Anforderungen gibt es auch noch die ETERNUS AF650 S2 oder die DX8900S4, das größten Flash-Speicher-System der Welt, das zudem den Performance-Weltrekord hält.

Wichtig bei All-Flash-Systemen ist ein Blick auf die Storage-Management-Software, die der Hersteller mitliefert. Mit ihr sollten sich Routineaufgaben erfüllen und automatisieren lassen. Dazu gehören das Einrichten von Storage-Tier-Pools, das Konfigurations- und Performance-Management sowie die Verwaltung von Fail-over-Mechanismen zwischen Storage-Arrays. Außerdem sollten Nutzer darauf achten, dass sich mit dieser Software alle Arten von Speichersystemen verwalten lassen, also Hybridkonfigurationen und All-Flash-Systeme.

NVMe: noch mehr Speed

Am oberen Ende der Performance-Skala rangieren Flash-Arrays mit einer NVMe-Schnittstelle. Dieses Protokoll nutzt für die Übertragung der Daten den PCI-Express-Bus und ist zudem „schlanker“ als SAS oder SCSI. Ein Storage-Array auf Basis von NVMe ist für 64.000 Warteschlangen (Queues) mit jeweils bis zu 64.000 Befehlen ausgelegt. Ein SAS-Laufwerk unterstützt nur eine Queue mit 256 Befehlen. Dadurch stellt NVMe mehr Pfade mit geringen Latenzzeiten zu den Flash-Speicherchips zur Verfügung.

Speichersysteme mit SSDs und SAS-Schnittstellen (l.) erhöhen die Performance herkömmlicher Anwendungen. Anspruchsvolle Applikationen wie KI, IoT und Big Data erfordern dagegen leistungsfähigere Ansätze wie NVMe.
Speichersysteme mit SSDs und SAS-Schnittstellen (l.) erhöhen die Performance herkömmlicher Anwendungen. Anspruchsvolle Applikationen wie KI, IoT und Big Data erfordern dagegen leistungsfähigere Ansätze wie NVMe. (Bild: Fujitsu)

Nach Angaben der NVM Express Organisation kommt NVMe mit der Hälfte der CPU-Befehle als SAS oder SATA aus, um I/O Requests abzuarbeiten. Dadurch ist die Effizienz des Protokolls, bezogen auf die IOPS pro Rechenkern, mehr als doppelt so hoch wie die von SATA, wenn ein SAS-Host-Bus-Adapter mit 12 Gbit/s zum Einsatz kommt.

NVMe eignet sich vor allem für Systeme, die mit Flash-Speicherbausteinen ausgestattet sind und deren Antwortzeiten im Bereich von wenigen Mikrosekunden liegen. Dabei ist der beste Einsatz als NVMe-Cache. Hier werden dann nicht nur die Flash-Speicher mit einem Boost versehen, sondern auch Hybridumgebungen und NL-SAS-Bereiche können mit einem NVMe-Cache wesentliche Vorteile versprechen.

Das Resultat ist ein Storage-System mit kürzeren Antwortzeiten sowie einer höheren Anwendungs-Performance und Speicherdichte. Es lassen sich daher größere Storage-Ressourcen auf kleinerem Raum bereitstellen.

Einsatzfelder von NVMe

Flash-Storage-Komponenten auf Basis von NVMe lassen sich auf mehrfache Weise einsetzen. Eine Option ist ein NVMe-Cache-Speicher in Hybrid-Storage-Systemen wie der Fujitsu ETERNUS DX8900 S4. Die geringen Latenzzeiten des Cache-Speichers beschleunigen Datenzugriffe. Eine zweite Möglichkeit ist die Anbindung der SSDs innerhalb eines Storage-Arrays. In diesem Fall kommt NVMe statt SAS zum Einsatz. Das kommt der Übertragungsrate von Daten vom Prozessor zu den Festplatten im Backend zugute.

Non-Volatile Memory Express eignet sich daher für Anwendungen wie Hochleistungsdatenbanken, High-Performance-Computing (HPC) und Big Data & Analytics. Auch Applikationen aus den Bereichen künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen zählen dazu. Für Backups und die Datenarchivierung ist NVMe dagegen überdimensioniert und zu teuer.

Die nächste Stufe: NVMe over Fabric

Noch einen Schritt weiter geht NVMe over Fabric (NVMe oF). Dieser Ansatz ermöglicht es, eine durchgängige (End-to-End-) Speicherarchitektur auf Basis von NVMe aufzubauen. Anwendungsserver und Storage-Systeme (Storage Targets) werden dazu mit NVMe-Adaptern ausgestattet. Das NVMe-Protokoll nutzt Speichernetze, etwa auf Grundlagen von RDMA over Converged Ethernet (RoCE) oder Infiniband, um Datenzugriffe zu beschleunigen. NVMe oF setzt eine Bandbreite von mindestens 25 Gbit/s voraus.

NVMe over Fabric ermöglicht eine durchgängige Übertragung von Daten vom Server bis zum Storage-System mittels des NVMe-Protokolls.
NVMe over Fabric ermöglicht eine durchgängige Übertragung von Daten vom Server bis zum Storage-System mittels des NVMe-Protokolls. (Bild: NVM Express Org)

Mithilfe von NVMe oF können Unternehmen im Rechenzentrum eine Speicherinfrastruktur aufbauen, die eine hohe Performance mit einer guten Skalierbarkeit kombiniert. Allerdings müssen Nutzer höhere Kosten als bei All-Flash-Arrays einplanen. Daher erwarten die Marktforscher von Freeform Dynamics, dass sich im ersten Schritt Hybrid-Arrays etablieren. Bei diesen werden AFAs um NVMe-Komponenten ergänzt.

Flash-Speicher gehört die Zukunft

Die Mehrzahl der Storage-Systeme wird in absehbarer Zeit Flash-Speicher nutzen. Dies ist auf die wachsenden Anforderungen von Anwendungen zurückzuführen. Bereits heute zeichnet sich ab, dass noch schnellere Technologien und Protokolle als NVMe nötig sind, um diesen Bedürfnissen gerecht zu werden. Eine Option ist Storage Class Memory (SCM). Diese Speicherchips sind fast so schnell wie DRAM-Bausteine, aber weniger kostspielig – und sie speichern Informationen auch dann, wenn kein Strom anliegt.

Stefan Roth, Category Manager Datacenter Central Europe bei Fujitsu.
Stefan Roth, Category Manager Datacenter Central Europe bei Fujitsu. (Bild: argum / Falk Heller)

Unternehmen wie Intel und Micron (3D XPoint) und Samsung (Z-NAND) haben Speicherbausteine für SCM entwickelt. Sie werden über den PCIe-Steckplatz in einen Server integriert. Mit etwa 10 Mikrosekunden ist die Latenzzeit einer SCM-SSD etwa um den Faktor fünf bis zehn geringer als die von Flash-Storage-Systemen. Noch schneller sind mit etwa 350 Nanosekunden SCM-NVDIMMs, beispielsweise solche auf Grundlage von Intels 3D-Xpoint-Optane-Technologie.

Die führenden Hersteller von Speichersystemen haben bereits Produktlinien für SCM angekündigt. Ihre Domäne sind geschäftskritische Real-Time-Anwendungen, etwa die Analyse von Finanzdaten. Ein weiteres Feld ist die Auswertung der Informationen von Werkzeugmaschinen im Rahmen von Predictive-Maintenance-Anwendungen.

*Der Autor: Stefan Roth, Category Manager Datacenter Central Europe bei Fujitsu

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