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Festpaltten bilden Flaschenhälse Flash bringt Enterprise Datacenter auf Geschwindigkeit

Autor / Redakteur: C.C. Wu* / Ulrike Ostler

Aufgrund fallender Flash-Preise gehören reine Flash-Speicher-Arrays zu den verlockendsten Solid-State-Storage-Produkten für Unternehmen. Angesichts der zahlreichen Optionen für Speicherprodukte in Unternehmen stellt sich die Frage, inwiefern ein vollständig aus Flash-Speicher bestehendes Array am besten in ein modernes Datacenter integriert werden kann.

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Flash-Speicher bringen Tempo in Rechenzentren und virtuelle Anwendungen.
Flash-Speicher bringen Tempo in Rechenzentren und virtuelle Anwendungen.
(Bild: Innodisk)

Während sich CPU-Leistungen rasant weiterentwickeln, haben sich die Geschwindigkeiten von Datenspeichern traditionell nur sehr langsam verbessert. Egal, ob bei herkömmlichen Desktop- oder Unternehmensanwendungen, Prozessoren und Arbeitsspeicher sind häufig unterfordert, während die Datenspeicher zum „Bottleneck“ werden. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Anwender über alle Segmente hinweg erkannt haben, dass der Austausch traditioneller Festplatten durch Solid-State-Drives ein besseres Preis-Leistungsverhältnis bietet, als in noch mehr Prozessorleistung oder RAM zu investieren.

Beispiel für ein im wahrsten Sinne ausgezeichnetes SSD-Produkt von Innodisk
Beispiel für ein im wahrsten Sinne ausgezeichnetes SSD-Produkt von Innodisk
(Bild: Innodisk)

Während der durchschnittliche Notebook-Anwender die zusätzliche Leistung augenblicklich durch schnelleres „booten“ des Betriebssystems oder praktisch verzögerungsfreies Öffnen von Programmen spürt, sind die wahren Begünstigten von Flash-Speicher Anwender im Unternehmensbereich. Die Limitierung bei der Verarbeitung von Daten in großen Unternehmen liegt mehr denn je bei der I/O-Leistung.

Datenbanken, Virtualisierung, Cloud-Computing und andere moderne IT-Schlüsselfunktionen stellen höchste Anforderungen an die Speicher-Infrastruktur, welche Festplatten mit rotierenden Scheiben aufgrund ihrer langen Suchzeiten und beweglichen Komponenten nicht erfüllen können. Die niedrigen Latenzen und hohen IOPS, die Flash von Natur aus bietet, sind ideal für derartige Datenspeicher im Unternehmensumfeld. In Strukturen wie diesen können zusätzliche Prozessorleistung und RAM durchaus zu höherer Leistung führen, sind allerdings mit erheblichen Kosten verbunden, während der Wechsel zu einer effizienten Flashspeicher-Infrastruktur die Leistung in ganz anderen Größenordnungen zu verbessern vermag.

Flash-Implementierung – zumeist richtig und wirtschaftlich

Einst für herkömmliche Anwendungen unvorstellbar, sind reine Flash-Speicher-Arrays preisgünstiger geworden und heute einer der kosteneffizientesten Wege für viele Unternehmen, Flash-Speicher einzusetzen. Der Backbone für Unternehmensdatenspeicherung bilden Netzwerkspeicher-Arrays, die in Racks montiert werden und so einen gemeinsamen Datenpool für Business-Anwendungen bilden.

Das Flexi Array SE110U bietet über 300K IOPs in einem 1HE Rackmount-Gehäuse.
Das Flexi Array SE110U bietet über 300K IOPs in einem 1HE Rackmount-Gehäuse.
(Bild: Innodisk)

Üblicherweise mit Festplatten realisiert, haben Virtualisierung, Cloud-Computing und andere I/O-lastige Business-Aufgaben die Leistungsgrenze der herkömmlichen Datenträger aufgezeigt. Da Festplatten relativ günstig sind, wird häufig eine große Stückzahl von ihnen zusammengeschaltet, um höhere IOPS zu erreichen.

Hohe IO-Werte

Allerdings führt dies unter dem Strich zu einer ganzen Reihe von Problemen. So erzeugen Festplatten Hitze und verbrauchen eine Menge Energie, was zu erheblichen Betriebskosten führt.

Das auf SSD basierende Äquivalent dazu ist das Flashspeicher-Array. Über eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle mit dem Netzwerk verbunden, bilden sie eine Datenträger-Einheit mit hohen IOPS-Werten. Ein einziges 1HE oder 2HE Rackmount-Flash-Array kann ähnliche IOPS-Werte erreichen, wie sonst nur ein komplettes Rack voller Festplatten-basierender Arrays.

Allerdings verursachen sie aufgrund ihres geringeren Stromverbrauchs und Kühlungsbedarfs deutlich niedrigere Betriebskosten. Das Fehlen von beweglichen Teilen in Solid-State-Drives bedeutet zudem höhere Zuverlässigkeit. Während die Anschaffungskosten bei Flash höher liegen als bei Festplatten, machen sie die niedrigen Betriebskosten in diesen I/O-lastigen Einsatzgebieten dennoch oft zur wirtschaftlicheren Wahl.

Flash – richtig und falsch

Da Flashspeicher pro Größeneinheit nach wie vor teurer ist als Festplattenspeicher, bedarf es – um bei der Planung der Datenspeicherung in Unternehmen die richtige Wahl zu treffen – genauer Kenntnisse über die Eigenschaften von Flash. Es ist eine Sache, Flashspeicher an die bestehende Infrastruktur anzuschließen und das Beste zu hoffen. Etwas Anderes ist es jedoch, das volle Potenzial von Flash auszuschöpfen.

Die Flexi Remap-Technik von Innodisk setzt die Flash-Optimierung im I/O-Stack um.
Die Flexi Remap-Technik von Innodisk setzt die Flash-Optimierung im I/O-Stack um.
(Bild: Innodisk)

Das Haupthindernis bei der Erschließung des wahren Potenzials von Flashspeicher ist ein Ökosystem, das sich um herkömmliche Festplatten herum entwickelt hat. Festplatten greifen auf die Daten sequenziell über magnetische Leseköpfe zu, welche sich über rotierende Scheiben bewegen. Das bedeutet, dass der Storage-Stack dazu konzipiert wurde, um sequenzielle Lese- und Schreibvorgänge zu optimieren und gleichzeitig wahlfreien Zugriff (random access) zu minimieren.

Diese Konzeption basiert jedoch auf Annahmen über Latenzen, wie man sie von traditionellen Festplatten kennt. Solid-State NAND-Flash hingegen hat keine Suchzeiten, was Latenzen praktisch eliminiert, egal wo sich die Daten befinden. I/O-Systeme, die für Festplatten entworfen wurden, nutzen Flashspeicher daher nicht optimal.

Flash-Optimierung

Auch wenn Flash exzellente wahlfreie Zugriffsraten vorweisen kann, so unterscheidet er sich in vielen Hinsichten von herkömmlichen Speichermedien. Spitzenleistungen in Data-Centern lassen sich daher nur durch ein Zusammenspiel auf dem Geräte- und Software-Level erreichen. Verschleiß, Write-Amplification sowie das Sammeln von Datenmüll sind für Flash spezifische Themen und bedürfen einer ganzheitlichen Lösung.

Ist das Speicher-Array nicht speziell auf Flash ausgelegt, so führt die Benutzung von SSDs nicht zu den erhofften Erfolgen. Moderne Flash-Anwedungen sind daher alle bereits auf dem Array-Level für die Benutzung von Flash optimiert. Reine Flashspeicher-Arrays bieten Leistungen und eine Servicequalität, wie sie von SDD/HDD Hybriden nicht erreicht werden kann.

Aufgrund der Festplatten-Altlasten haben Solid-State-Drives heute eine Ebene, die sich gegenüber dem Storage-Stack als herkömmliche Schnittstelle wie SATA/AHCI ausgibt. Das kann auf Geräte-Ebene geschehen - indem sich die SSD über ein Festplatten-Interface präsentiert.

Der effizienteste Weg der Flash-Nutzung

Eine Datenträgerumsetzung mit dieser Art von SSDs wäre zwar Flash-kompatibel, würde ohne zusätzliche Bearbeitung allerdings nicht über die für Flash typischen Leistungen oder Langlebigkeit verfügen. Intelligentere Solid-State-Umsetzungen wissen um den Flash-Speicher, sind auf Array-Ebene dafür optimiert und durch speziell dafür geschriebener Software auf das Verhalten von SSDs zugeschnitten.

Noch kommt Flash teuer als Festplattenspeicher ....
Noch kommt Flash teuer als Festplattenspeicher ....
(Bild: VBM-Archiv)

Optimale Flash-Anwendungen arbeiten hingegen nicht nur auf Geräte- und Array-Ebene mit Flash, sondern auch per I/O-Stack des Betriebssystems. Dieser Grad an Anpassung ist der effizienteste Weg, um Flash-Speicher optimal zu nutzen, und die höchste Leistung und Zuverlässigkeit mit minimalem Aufwand zu liefern.

Die perfekte Flash-Array Anwendung: Desktop-Virtualisierung

Eine der heutzutage gängisten I/O-lastigen Anwendungen für Unternehmen ist ganz klar die Virtual-Desktop-Infrastructure (VDI), bei der hunderte – oder gar Tausende – Desktops über einen physischen Host virtualisiert werden. Diese Art der Konsolidierung senkt zwar die Betriebskosten und schafft erhebliche Vorteile in Sachen Infrastruktur, stellt allerdings auch besondere Anforderungen an den Speicher.

Während den Speicheranforderungen eines Desktop-Computers in den meisten Fällen mit einer einzelnen HDD beizukommen ist, stellt der gleichzeitige Zugriff mehrerer PCs auf einen geteilten Speicher ein so genanntes randomized-I/O-Problem dar, welches für Festplatten-basierte Speichersystem nur schwer zu bewältigen ist.

I/O-lastige Anwendungen wie Video-Rendering, welche normalerweise schon ganze Computer in Anspruch nehmen, können sich so negativ auf Hunderte andere virtuelle Instanzen auswirken. In Fällen wie diesen versagen herkömmliche Festplatten, während Solid-State-Speicher herausragen.

Durch die Eliminierung des Flaschenhalses auf Datenträgerebene können Solid-State-Speicher nicht nur solche I/O-Herausforderungen meistern, sondern auch die gesamte VDI-Leistung erhöhen. Das ermöglicht, eine höhere Anzahl an Desktops mit der gleichen Menge an Servern zu virtualisieren. Durch höhere Leistung und Zuverlässigkeit, sowie augenblicklich einsetzender Kostenersparnis sind Solid-State-Speicher perfekt geeignet für Virtualisierung in Unternehmen.

* C.C. Wu ist Vice President of Innodisk und Director of Innodisk's Embedded Flash Division.

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