All-Flash
Warum Flash jetzt das Rechenzentrum erobert
Die hohe Nachfrage nach leistungsfähigen Storage-Umgebungen treibt den Verkauf von Flash-Systemen. Laut Marktanalysten wurden im Jahr 2015 bereits mehr Flash-Lösungen eingesetzt als herkömmliche Storage-Technologien. Ab 2018/2019 könnten All-Flash-Arrays die primäre Storage-Umgebung dominieren.
Flash wird preislich immer attraktiver. Wer den Einsatz von Enterprise-Flash im Rechenzentrum inklusive Betriebskosten durchrechnet, erkennt bereits heute, dass bei den Gesamtkosten Flash günstiger sein kann als High-End-Festplatten. CIOs sollten daher prüfen, welche Workloads und Anwendungen sich auf Flash umstellen lassen und die verfügbaren Technologien dahingehend evaluieren, welche Aufgaben sich mit welchen Lösungen bestmöglich erfüllen lassen.
Flash ist nicht gleich Flash
Im Dschungel der Chip-Technologien und Schnittstellen fällt es mitunter nicht leicht, immer auf dem aktuellen Stand zu bleiben. Ständig kommen neue Spezifikationen und Produkte rund um Flash-Speicher auf den Markt. Heute finden sich in SSD-Laufwerken NAND-Speicher mit unterschiedlichen Chiparchitekturen. Flash mit SLC (Single-Level Cell) steht für die Verwendung von nur einer Speicherzelle, die auch nur ein Bit speichert. SLC ist die schnellste, langlebigste und teuerste Zelle, die bis zu 100.000 Schreibzyklen übersteht. In Consumer-SSDs kommen häufig MLC-Chips (Multi-Level Cell) zum Einsatz. Diese speichern zwei Bits in einer Zelle und bieten eine höhere Speicherdichte. Im Vergleich zu SLC arbeitet MLC beim Schreiben langsamer, ist in der Produktion preisgünstiger und verträgt rund 3.000 Schreibvorgänge.
Mit eMLC (Enterprise MLC) haben die Hersteller einen Kompromiss aus MLC und SLC geschaffen. Im Vordergrund standen eine erhöhte Lebensdauer und die Verwendung von Flash in Rechenzentren. Da eMLC von den vorhandenen vier Bits eines MLC-Speichers nur zwei Bits verwendet, steigt die Lebensdauer erheblich. In Verbindung mit intelligenten Controllern geben Hersteller für eMLC eine Lebensdauer von 20.000 bis 30.000 Schreibzyklen an.
Eine weitere Variante sind die TLC-Zellen (Triple-Level Cell), die drei Bits pro Speicherzelle aufnehmen und für rund 1.000 Schreibzyklen ausgelegt sind. Von der Leistungsfähigkeit her sind diese etwas langsamer als MLC-Speicher und fallen preislich günstiger aus.
3D-Fertigungsverfahren
Die Entwicklung der Flash-Technologie geht beständig weiter: Für das Jahr 2018 prognostiziert Toshiba ein SSD-Laufwerk mit bis zu 128 TByte, basierend auf QLC-Zellen (Quad Level Cells). Erster QLC-Speicher soll bereits in ein bis zwei Jahren verfügbar sein und wird bis zu vier Bits pro Speicherzelle aufnehmen. Hersteller nennen eine Lebensdauer von rund 500 Schreibzyklen pro Zelle. Mit QLC erhöht sich die Speicherdichte von Flash bei voraussichtlich moderaten Herstellungs-kosten. Dies kann ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu den aufwändigen 3D-Produktionsverfahren der neuen Generation von 3D-Flash-Speicher sein. Flash aus dreidimensionalen Produktionsverfahren, bei denen einzelne Speicher-Layer übereinander liegen, liefern beispielsweise Samsung (3D-V-NAND), Toshiba, Micron, Intel oder IBM. Hierbei kommen überwiegend MLC- oder TLC-Zellen zum Einsatz. Noch ein Wort zur Lebensdauer: Schreibvorgänge wurden bei Flash-Laufwerken bereits stark optimiert. Flash-Controller sind dazu mit intelligenten Algorithmen für das Wear Leveling ausgestattet, um durch ein gleichmäßiges Verteilen der Schreibvorgänge über alle verfügbaren Zellen hinweg die Effekte der Zellendegeneration zu minimieren und so die Lebensdauer des Laufwerks zu verbessern. So wird verhindert, dass schon nach kurzer Zeit die am meisten beanspruchten Zellen ausfallen. Wie die langjährigen Erfahrungen mit Flash in Kundenprojekten zeigen, kommen Flash-Laufwerke selbst bei intensiver Nutzung nur schwer an die Grenze ihrer Lebenserwartung. Der Anbieter Samsung rechnet beispielsweise für das Modell „SSD 840 EVO“ mit TLC-Speicher bei Schreibzugriffen in Höhe von 40 GByte/Tag mit einer Lebenserwartung von zehn Jahren.
Schnittstellen und Protokolle
Die hohen Übertragungsraten von Flash-Speicher machen die Verwendung neuer Schnittstellen und Protokolle notwendig. Mit der herkömmlichen SATA-Anschlusstechnik schaffen Consumer-SSDs bis zu 550 MByte/sec. Mit einer SAS-Schnittstelle (Serial Attached SCSI) ist schon eine Übertragungsrate von rund 1,2 GByte/s machbar. Moderne SSD-Laufwerke liefern aber schon bis zu 2,5 GByte/s, daher werden im High-End-Bereich die Laufwerke über PCI-Express (PCIe) angeschlossen. In der Variante PCIe 3.0 sind bis zu 2,7 GByte/s möglich. Ergänzend hierzu wird ein Flash-optimiertes Übertragungsprotokoll wie NVMe (Non-Volatile Memory Express) benötigt. Dies ist notwendig, da die Laufwerkseigenschaften von Flash komplett anders ausfallen als bei einer Festplatte. Mit dem NVMe-Protokoll sind beispielsweise über 65.000 parallele Zugriffe auf ein Flash-Laufwerk möglich. Damit lassen sich im Rechenzentrumsbetrieb die Eigenschaften des Flash-Speichers optimal nutzen.
Die mit PCIe erreichten niedrigen Antwortzeiten im Bereich von Mikrosekunden sowie die hohen Transferraten werden dadurch erreicht, dass die PCIe-Karte unmittelbar an der CPU sitzt. Damit umgeht der Flash-Speicher allerdings den Storage-Protokoll-Stack, sodass PCIe-SSDs zu einem lokalen Speicher werden, welcher sich nicht so einfach in bestehende Konzepte für Hochverfügbarkeit und Backup integrieren lässt. Neue Ansätze unterstützen es bereits, den PCIe-Flash-Layer für Anwendungen oder für die Applikations-Infrastruktur zu nutzen. Beispielsweise lassen sich Teile von Datenbanktransaktionen auf diesen lokalen Storage auslagern, sodass Anwendungen von kürzeren Antwortzeiten profitieren. Darüber hinaus sind PCIe-SSDs mit NVMe-Interface insbesondere in Cloud-Rechenzentren eine wichtige Komponente und beschleunigen hier den Zugriff von virtuellen Maschinen auf physische Server ganz erheblich.
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