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Storage im Geschwindigkeitsrausch

| Autor: Klaus Länger

Mit kommenden Flash-Speichern und NVMe-oF soll Storage neue Geschwindigkeitsdemensionen erreichen.
Mit kommenden Flash-Speichern und NVMe-oF soll Storage neue Geschwindigkeitsdemensionen erreichen. (Bild: kentoh - stock.adobe.com)

Die größten technischen Fortschritte bei Storage-Hardware finden derzeit im Zusammenhang mit Flash als Speichermedium statt. Bei SSDs wächst die Kapazität rasant und die Preise fallen. Gleichzeitig nimmt NVMe auch im Rechenzentrum an Fahrt auf.

„The Flash“ ist der Name eines der wichtigsten Superhelden aus dem DC-Comic-Universum, in dem auch Superman und Batman zuhause sind. Flash hat im Storage-Universum ebenfalls eine Art ­Superheldenrolle eingenommen: Die schnellen Festkörperspeicher machen vor allem im Zusammenspiel mit NVMe Transferraten möglich, die im Datacenter bisher nicht zu erreichen waren.

Zugriffszeiten und Datentransferraten waren bei Storage-Systemen für den Server-Raum oder das Rechenzentrum schon immer wichtig. Aber sie waren für die meisten Anwendungen nicht so bedeutend wie Fortschritte bei Kapazität und bei Datensicherheit.

Das hat sich mit der rasant, steigenden Bedeutung der Datenanalyse geändert. Für Big-Data-Anwendungen ist es notwendig, große Datenmengen möglichst ohne Verzögerungen im Zugriff zu behalten. Und das ist ohne Flash als Speichermedium praktisch unmöglich.

3D und QLC: Mehr Kapazität für NAND-Flash

Fortschritte in der NAND-Technologie ermöglichen die Produktion von SSDs mit immer höherer Kapazität. Schon heute können zum Beispiel auf der 2,5-Zoll-SSD „Samsung PM1643“ mit 30 Terabyte (TB) fast doppelt so viele Daten gespeichert werden, wie auf der größten 3,5-Zoll-HDD. Die hohe Speicherkapazität hat Samsung nicht nur durch die schiere Menge von 512 Flash-Chips, sondern auch durch die Verwendung von ­V-NAND-Bausteinen mit 64 Layern erreicht.

Neben dem 3D-V-NAND-Erfinder Samsung stellen inzwischen auch andere Hersteller 3D-NAND-Flash her. Micron, Intel, SK Hynix sowie die Partner Toshiba und Western Digital sind ebenfalls bei 64 Layern angelangt und nutzen ebenso wie Samsung die Charge-Trap- statt der Floating-Gate-Technologie mit Siliziumnitrid als Isolator. Dieser Schritt soll die Lebensdauer der immer kleineren Flash-Zellen erhöhen, da bei der Charge-Trap-Technologie Störungen durch unerwünschten Elektronenfluss zwischen den Zellen seltener auftreten.

Micron hat auf der letzten Computex bereits aus 96 Layern aufgebaute Flash-Chips demonstriert, SK Hynix spricht bereits von 3D-NAND aus 128 Lagen. Allerdings erfordert die Produktion von 3D-NAND einen erheblichen Aufwand bei den Speicherherstellern. Daher sinken die Preise für SSDs mit hoher Kapazität nicht so schnell wie gewünscht. So kostet die 15-TB-SSD „PM1633a“ von Samsung etwa 8.000 Euro. Den Preis für die „PM1643“ mit 30 TB gibt der Hersteller gar nicht erst an.

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Günstigere SSDs mit hoher Kapazität soll die Produktion von Quadruple-Level-Cell-Chips (QLC) ermöglichen. Hier werden pro Zelle vier Bits statt der drei Bits bei TLC-Flash gespeichert. Damit wächst die Speicherkapazität von QLC-SSDs bei gleicher Die-Fläche um 30 Prozent.

Allerdings sind die Lebensdauer und auch die Schreib-Performance von QLC-Speicherzellen geringer. Die Haltbarkeit kann durch eine verbesserte Fehlerkorrektur und ein effizienteres Wear Leveling verbessert werden, die Performance durch den Einsatz eines SLC-Cache wie bei der M.2-NVMe-SSD „Intel 660p“.

Im Datacenter kommen aber QLC-SSDs eher für Anwendungen zum Einsatz, bei denen eine maximale Performance nicht im Vordergrund steht. So verzichtet Intel bei der 7,68-TB- Datacenter-SSD „D5-P4320“ mit U.2-Interface auf den SLC-Cache. Dafür verspricht Intel noch für dieses Jahr QLC-SSDs mit 16 und 32 TB Speicherplatz.

MAMR-Technologie: Mit Mikrowellen zu höherer Speicherdichte für 20-TB-HDDs. Das soll die HDD auch in Zukunft im Datacenter halten.
MAMR-Technologie: Mit Mikrowellen zu höherer Speicherdichte für 20-TB-HDDs. Das soll die HDD auch in Zukunft im Datacenter halten. (Bild: Western Digital)

Mehr Power für große Storage-Systeme: NVMe über das Netzwerk

Für mehr Performance bei Systemen mit vielen SSDs soll NVMe over Fabrics ­(NVMe-oF) sorgen. Bei NVMe wird PCI-Express für die lokale Anbindung von SSDs mit höheren Datentransferraten und niedriger Latenz genutzt, als sie mit SATA oder auch SAS möglich sind.

Der Grund dafür ist, dass SATA und SAS für HDDs entwickelt wurden und daher die Stärken von SSDs nicht nutzen. Bei ­NVMe over Fabrics sorgt ein zu lokalem NVMe ähnliches Protokoll für die Verbindung zwischen NVMe-Host und NVMe-Target über ein Netzwerk wie Ethernet, Fibre Channel oder Infiniband. Das Ziel ist eine niedrigere Latenz und ein geringerer Overhead, als er beispielsweise mit iSCSI möglich ist.

Prinzipiell ist NVMe-oF für die Verbindung zu traditionellen SAN-Enterprise-Arrays ebenso geeignet wie für die Anbindung von kleineren Storage-­Appliances oder für Shared-Storage-JBOF (Just a Bunch of Flash). Bei NVMe über Fibre Channel ersetzen NVMe- die bisherigen SCSI-3-Kommandos, die für Flash-Speicher nicht optimal geeignet sind.

Laut NetApp erhöht NVMe-oF via Fibre Channel die Single-Port-Performance um den Faktor drei gegenüber dem taditionellen Fibre Channel. Dazu tragen eine Steigerung bei den Peak-IOPS ebenso bei, wie eine deutlich reduzierte Latenz.

Ein anderer Ansatz ist NVMe über RDMA (Remote Direct Memory Access). Bei den konkurrierenden Lösungen NVMe über RoCe (RDMA over Converged Ethernet), über iWARP oder über FCoE wird eine Ethernet-Verbindung für einen Datentransport mit geringer Latenz genutzt. Ein alternativer Übertragungsweg für NVMe über RDMA ist Infiniband.

NVMe over Fabrics kann verschiedene Übertragungswege nutzen.
NVMe over Fabrics kann verschiedene Übertragungswege nutzen. (Bild: NVM Express Organization)

Flexible Strukturen mit NVMe-oF und OpenChannel-SSDs

Eine Composable Infrastucture mit einer flexiblen Zusammenstellung von einzelnen Einheiten aus Compute- und Storage-Pools ist mit NVMe-oF einfacher realisierbar als mit bisherigen Lösungen. Besonders unkompliziert soll sich die Anbindung von NVMe-Flash über Ethernet mit NVMe/TCP gestalten, das gerade durch die Standardisierung läuft. Die ­NVMe-oF-Kommandos werden dabei über herkömmliche TCP/IP-Sockets geschickt. Damit ist NVMe/TCP ein modernerer und performanterer Nachfolger von iSCSI, der einen End-to-End-Zugriff auf NVMe-SSDs ermöglicht.

OpenChannel-SSDs sind ein anderer Ansatz für die flexible Nutzung von Flash-Speicher im Datacenter. Auf den über PCI-Express angebundenen SSDs selbst gibt es hier nur einen sehr rudimentären Controller. Der Flash Translation Layer wird in den NVMe-Device-Driver ausgelagert. Handling von Metadaten, Wear-Leveling und Fehlerkorrektur werden durch das Host-System erledigt.

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