Ein Akzelerator speziell für Daten Höchst willkommen: Pliops macht SSD-Storage Beine

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Engpässe zwischen Servern und Storage bremsen viele Anwendungen. Durch die Kombination aus einem speziellen Datenprozessor und Storage-Services möchte das Startup Pliops etwas gegen diese Situation tun.

Die Investorenliste von Pliops liest sich wie ein Who-is-who der Prozessor- und Chipindustrie: Hier finden sich die Namen AMD, Intel, Nivida/Xilinx und Western Digital. Dazu kommen bekannte Hightech-Financiers wie KDT.

Tony Afshary, weltweit für Produktentwicklung und Marketing zuständig, arbeitete zuvor für LSI (aufgekauft durch Seagate). Dort entwickelte er den Beschleuniger „Nitro“ mit. Sein Beschleunigerwissen bringt er nun beim Startup Pliops ein.

Plenty of IOPS

Die Firma hat ihren Sitz in einem neuen Geschäftsviertel im israelischen Ramat Gan und in San Jose. Die Entwicklung erfolgt vor allem in Ramat Gan. Das Unternehmen beschäftigt derzeit rund 120 Festangestellte, dazu kommen freie Mitarbeiter. Beim Besuch einer europäischen Journallistengruppe anlässlich einer IT Press Tour in den israelischen Büros erklärte Afshary den Datenprozessor „XDP“ (Extreme Data Processor) vor.

Pliops steht für 'Plenty of IOPS', was auch schon das Ziel des Unternehmens umschreibt: leistungshungrigen Anwendern eine möglichst hohe Ein-/Ausgabeleistung und Verfügbarkeit für ihre Applikationen zur Verfügung zu stellen. Dabei sollen die SSD-Speichermedien durch Maßschneidern der Datenströme gleichzeitig beschleunigt und geschont werden.

Ein Beschleuniger für Daten

Von den bekanntesten spezialisierten Prozessoren für infrastruktur-Beschleunigung unterscheidet sich der XDP durch seine größere Spezialisierung. Nvidia-DPUs und auch Intel-IPUs haben ein breiteres Funktions- und damit auch Anwendungsfeld. Wer allerdings vor allem seinen SSDs Beine machen will, ist wohl mit Pliops besser bedient. Dass Intel, Nvidia und AMD in Pliops investieren, bestätigt diese Einschätzung.

Afshary: „Die Serverleistung ist für die Anforderungen des Datenzeitalters nicht richtig ausbalanciert. Dazu gibt es Grenzen bei Power, Platz und Budget bei Rechenzentren. Und schließlich müssen Rechenzentren nachhaltig werden. Diese Herausforderungen gehen wir an.“

Längere Laufzeit für SSDs

Laufwerke gehören noch immer zu den ausfallträchtigsten Komponenten der Systeme. Das gilt auch für SSDs. Diese werden allerdings kaum je in klassische RAID-Konstellationen einbezogen. Zudem dauern Rebuilds von geschädigten, großvolumigen Festplatten sehr lange. Der XDP adressiert diese Problemlagen.

Daten kommen Zukunft nicht mehr in wohlgeordneten, großen Blöcken, sondern in kleinen, oft nur 100 Byte oder wenigen Kilobyte großen Stückchen. Sie entstehen, wenn beispielsweise am Edge Werte regelmäßig ausgelesen und zur Auswertung an eine Zentrale geschickt werden.

Die Blockgrößen der TLC- und QLC-Speichermedien sind für solche winzigen Einheiten viel zu groß. Das wiederum führt beim Lesen und Schreiben zu sehr vielen Zugriffen und Verschiebe-Operationen, man spricht von Amplification.

Wird eine NAND-SSD voller, sinkt insbesondere die Schreibleistung infolgedessen erheblich. Außerdem wird durch die kleinen Datenpakete Platz verschwendet und die Lebensdauer sinkt.

XDP konsolidiert Datenschnipsel

Genau hier setzt der XDP an. Seine Funktionen werden bislang in Form programmierbarer Logik mittels feldprogrammierbarer Gate Arrays (FPGA) realisiert, später soll zumindest für Teile der Funktionen ein ASIC folgen.

Die laufwerks- und serveragnostische Karte mit dem XDP kommt mit zwei Schnittstellen. Sie adressieren erstens ein Standard-Blockdrive mit Advanced Thin Provisioning und zweitens Key-Value-Stores über eine Library-API.

Das wichtigste Beispiel für letzteres ist „RocksD“B, für die Pliops mit XDB-Rocks eine eigene optimierte Variante vorlegt. Die Schnittstellen greifen auf die im FPGA realisierte Logik zu. Typische Operationen wie Get oder Delete werden vom XDP mittels Hardware und damit sehr schnell übersetzt.

Weiterentwicklungen für ARM-Cores und vVOLs denkbar

Für die Zukunft plant Pliops beispielsweise Weiterentwicklungen für ARM-Cores insbesondere für Datenanalytik. Afshary denkt auch daran, Virtual Volumes (vVOLs) zu unterstützen, um beispielsweise für jedes vVOL eine eigene QoS definieren zu können. Auch die Unterstützung von CXL ist angedacht, steht aber noch nicht ganz oben auf der Prioritätenliste.

Der XDP-Beschleuniger komprimiert die Daten und teilt sie neu in Objekte auf. Die zunächst winzigen Datenpakete werden vorsortiert, zu größeren Datenobjekten zusammengeführt, indexiert und nicht mehr benötigte Daten werden gelöscht (Garbage Collection).

Dann wird der Rest verschlüsselt und in großen, zusammenhängenden Stücken zum Schreiben an die SSDs übergeben. Für diese Aufgaben ist die Karte selbst mit NVMe-RAM bestückt.

Kontinuierliche Schreib-/Leseleistung

Direktzugriffe vom Server auf die Speichermedien unterbleiben. Die Pliops-Software kennt die Platzierung der Daten und ihren relativen Wert. Lese- und Schreibleistung sind dadurch kontinuierlich, was unter anderem die Lebensdauer verlängert.

Ohne Anpassung der Server soll mit dem XDP laut Pliops die Leistung der SSDs ganz erheblich steigern. Kunden können so bessere SLAs bei höheren Leistungen für Speicherservices anbieten.

In den Pliops-Laboren werden alle möglichen Konfigurationen getestet. Die wichtigsten sind DAS-Systeme und Server mit NVMe-oF Arrays, bei denen der XDP direkt im Server sitzt, außerdem kann man die Karte im NVMe-SSD unterbringen.

Siebenfache Leistung

Beispielsweise gibt Pliops an, bei einem Kunden den Durchsatz der Infrastruktur beim Lesen von Daten versiebenfacht zu haben – bei einem SLA-Ziel von 10 Millisekunden (ms) für die Latenz. Beim gemischten Betrieb (Lesen/Schreiben) stieg der Durchsatz knapp auf das Sechsfache bei einer SLA von 50 ms Latenz.

Grundsätzlich ist das Design mit allen Compute- und Storage-Servern sowie SSD-Festplatten kompatibel. Jede Karte kann ihre Funktionen für Speichermedien bis zu einer Kapazität von 128 Terabyte ausführen. Später soll eine Version für das Doppelte folgen. In einem Gesamtsystem können mehrere SSD-Server mit XDP-Beschleunigern stecken.

Drei Datenservices als Ergänzung

Pliops sieht sich aber nicht nur als Hardwarelieferanten, sondern als 'Data Exceleration Platform'. Deshalb bietet das Unternehmen neben seiner Karte bislang drei Datendienste an: „AccelKV“ für die Zusammenarbeit mit Key-Value-Stores, „AccelDB“ für die Arbeit mit klassischen Datenbanken und „Accel RAID Plus“, denn an die vorverarbeiteten Datenobjekte lässt sich leicht ein RAID-Bit anhängen.

Alle Services sind derzeit im Preis der Karte eingeschlossen. Das müsse aber nicht so bleiben, meint Afshary. Man könne sich durchaus weitere Services und je nach QoS differenzierte Preise für diese vorstellen.

12fache RAID-Beschleunigung

Die Auswirkungen dieses Designs sind groß: Pliops reklamiert für seinen RAID-Service die 12fache Leistung gegenüber Standard-RAID-5, eine durch die konstante Belastung der SSDs und Leistung eine aufs 18fache steigende Lebensdauer von QLC-Medien.

Bei TLC ist die Wirkung nicht ganz so groß, liegt aber immer noch beim 4,7fachen der üblichen Werte. Auf eine SSD passen damit sechsmal so viele Daten. Das senkt wiederum die Kosten erheblich.

Der Datenbankbeschleunigungsdienst AccelDB für SQL- und Non-SQL-Datenbanken einschließlich „Ceph“ kommt auf ähnlich bemerkenswerte Werte: Hier reklamiert Pliops einen aufs 2,5fache gesteigerten Durchsatz, eine Reduktion der Latenz auf ein Achtel, eine um ein Drittel bessere Auslastung der CPU und eine versechsfachte Kapazität.

Bei einer Installation der Datenbank von Partner Oracle wurde dieses um das 3,4-fache beschleunigt. Eine Installation zusammen mit „MongoDB“ erbrachte einen auf die Hälfte schrumpfenden Hardwarebedarf bei 2,3mal mehr Operationen pro Sekunde und ohne QoS-Beeinträchtigung.

AccelKV beschleunigt Key-Value-Stores wie RocksDB, „KV-Rocks“ und „Wired Tiger“. Hier soll sich der Durchsatz 20mal so groß sein, die Latenz bis auf ein Prozent bisheriger Werte sinken, die CPU-Auslastung sich verzehn- und die Kapazität versechsfachen. Beim Betrieb mit „Redis“ ließ sich die TCO um 86 Prozent schmälern.

Zielgruppen Hyperscaler und HPC

Die primäre Zielgruppe für die Lösung sind die Top-Hyperscaler, große HPC-Betreiber und andere, die einen extremen Bedarf an Rechenleistung für die Verarbeitung größerer Datenmengen haben. Ein Beispiel ist das gesamte AI/ML-Umfeld.

Unüberwindliche Hindernisse für den Erfolg von Pliops sind kaum auszumachen. Denn wenn eines sicher ist, dann, dass die Datenmengen weiter wachsen. Da ist jedes Mittel, ihre schleunige Verarbeitung zu fördern, höchst willkommen.

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