Technikvergleich: Flash-Speichersysteme
"All Flash" versus Hybrid
Für Anwendungen, die eine hohe I/O-Performance bei möglichst niedrigen Latenzzeiten benötigen, sind Flash-Speichersysteme die erste Wahl. In einem Technikvergleich untersucht LANline die Stärken und Schwächen der am Markt konkurrierenden All-Flash- und Hybrid-Storage-Lösungen. Die redaktionelle Auswahl berücksichtigt sowohl Flash-Systeme etablierter Storage-Hersteller wie Dell, EMC, HDS (Hitachi Data Systems), HP, IBM und Netapp als auch von spezialisierten Newcomern wie Nimble Storage, Pure Storage, Tintri und Violin Memory entwickelte Flash Arrays.Die Anforderungen an Speichersysteme sind in den vergangenen Jahren beständig gestiegen. Ein Großteil der Unternehmen setzt inzwischen Server-Virtualisierung ein, wodurch die Storage-Systeme eine hohe I/O-Last bewältigen müssen. Gleiches gilt für die Desktop-Virtualisierung oder Big-Data-Analysen. Um mit traditionellen festplattenbasierenden Speicherlösungen hohe I/O-Anforderungen erfüllen zu können, sind zahlreiche Laufwerke und ausgefeilte Caching-Algorithmen erforderlich. Die Latenzzeit ist durch die physischen Gegebenheiten des Festplattenspeichers vorgegeben, der für jeden Zugriff die Schreib-/Leseköpfe neu positionieren muss. Sie liegt abhängig vom Plattentyp etwa bei fünf bis zehn Millisekunden. Schneller Flash-Speicher Bei NAND-Flash-Speicher ("Not And") in MLC-Bauweise (Multi-Level Cell) beträgt die Latenzzeit für Lesezugriffe dagegen nur 0,25 ms und für Schreibzugriffe 0,5 ms. Die teureren SLC-Flash-Speicher (Single-Level Cell) reduzieren diese Zeiten nochmal um die Hälfte. Da ein Flash-Speicher keine beweglichen Teile enthält, sind die Zugriffszeiten immer gleich. Ein weiterer Vorteil von Flash-Speicher ist der im Vergleich zu Festplatten deutlich geringere Stromverbrauch, da keine Platten mit mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute rotieren müssen. Zudem bieten Flash-Systeme eine höhere Speicherdichte, wodurch sie weniger Stellfläche im Rechenzentrum benötigen als Festplatten-Arrays. Zu den Nachteilen von Flash-Speichern zählt ihre begrenzte Lebensdauer für Schreibvorgänge. MLC-Speicher wird nach maximal 10.000 Schreib-/Lösch-Zyklen unbrauchbar. Bei SLC-Speicher liegt die Lebensdauer bei etwa 100.000 Zyklen. Festplatten dagegen halten mehr als eine Milliarde Zyklen aus. Dafür sind die beweglichen Teile die Schwachstelle, sie werden - früher oder später - ausfallen. Die meisten Storage-Hersteller setzen mittlerweile auf den kostengünstigeren MLC-Speicher, dessen Haltbarkeit sich durch spezielle Techniken erhöhen lässt. Zum Teil kommen auch Enterprise-MLC-Speicher (eMLC) zum Einsatz, die eine Lebensdauer von bis zu 30.000 Schreibzyklen besitzen. Zu den wichtigsten Lebensdauer-Verlängerungsmechanismen für NAND-Flash-Speicher zählt das sogenannte Wear Leveling, das die Schreibvorgänge möglichst gleichmäßig auf alle Zellen verteilt. Zudem verfügen Flash-Speicher-Module in der Regel über eine Reservekapazität von mindestens zehn Prozent, mit der sich defekte Blöcke nach und nach ersetzen lassen. Um Schreibvorgänge zu beschleunigen, führt der Controller eines Flash-Laufwerks permanent eine sogenannte Garbage Collection durch. Für einen Schreibvorgang muss das System den jeweiligen Speicherbereich zunächst löschen. Die Garbage Collection sorgt dafür, dass nicht mehr benötigte Sektoren bereits im Vorfeld erkannt und gelöscht werden, sodass sich der Schreibvorgang direkt ausführen lässt. Einige Storage-Hersteller garantieren für die eingesetzten Flash-Module eine Lebenszeit von fünf oder sogar mehr Jahren. Um die Sicherheit der auf den SSDs oder Flash-Karten gespeicherten Daten zu gewährleisten, setzen alle Hersteller Redundanzmechanismen ein, die den Ausfall einzelner Flash-Module kompensieren. Die meisten Anbieter unterstützen zudem ein Array-weites Striping der einzelnen LUNs (Logical Unit Number), um die Speicherressourcen möglichst effizient zu nutzen. Datenreduktionstechniken sind ein weiteres Mittel, um die Lebensdauer des NAND-Flash-Speichers zu erhöhen. Die größten Einsparungen verspricht eine Kombination von Inline-Deduplizierung mit nachgelagerter Komprimierung. Für virtualisierte Server- und Desktop-Umgebungen bietet eine Deduplizierung das größte Reduktionspotenzial. Eine Komprimierung erzielt unter anderem bei Datenbanken sehr gute Ergebnisse. Einige Hersteller haben beide Techniken implementiert. Glaubensfrage: Hybrid oder All Flash Der Markt für Flash-Storage-Systeme ist in den vergangenen Jahren rasch gewachsen. Zum einen wurden zahlreiche Start-up-Unternehmen gegründet. Zum anderen haben die seit Jahrzehnten etablierten Storage-Anbieter ihre Produktpalette um Flash-Systeme ergänzt. Die IT-Abteilung hat die Wahl zwischen All-Flash-Systemen und Hybridlösungen, die Flash-Laufwerke mit Festplatten kombinieren. Bei den Hybridsystemen spielt die eingesetzte Tiering-Software eine wichtige Rolle. Sie legt fest, nach welchen Kriterien die Daten zwischen den langsameren Festplatten und dem schnelleren Flash-Speicher automatisch hin- und herverschoben werden. Zu den Anbietern von All Flash Arrays zählen Start-ups wie Pure Storage oder Violin Memory sowie traditionelle Storage-Hersteller wie EMC, HDS, HP, IBM und Netapp. Derartige Systeme eignen sich für Anwendungen mit besonders hohen Anforderungen an I/O-Performance und Latenzzeiten. Ein wichtiger Unterschied bei Flash-Lösungen besteht in der Anbindung des Flash-Speichers an die Storage Controller. Einige Hersteller haben spezielle Flash-Module entwickelt, die direkt mit der Backplane des Speichersystems verbunden sind und eine höhere Performance liefern als SSDs, die über die Standard-SAS-Schnittstelle angebunden sind. So hat Violin Memory für das "Concerto 7000 All Flash Array" eine PCIe-basierende Switched-Fabric-Architektur entwickelt, die in einem 3-HE-Einschub (HE: Höheneinheiten) bis zu 64 Flash-Module mit einer Speicherkapazität von 70 TByte bereitstellen kann. Laut Hersteller liegt die Latenzzeit auch bei starker Last unter 0,5 ms. Mit vier Einschüben kann ein System bis zu 280 TByte zur Verfügung stellen. Die Flash-Karten sind als MLC oder SLC erhältlich und lassen sich im laufenden Betrieb unterbrechungsfrei austauschen. Die Garbage Collection läuft auf den Flash-Karten als Hintergrundprozess ab, der die Anwendungs-Performance nicht beeinträchtigt. Für die Verwaltung des Speichersystems hat Violin Mitte 2014 die "Concerto Enterprise Data Services Software Suite" auf den Markt gebracht. Diese erweitert den Funktionsumfang der Flash Arrays unter anderem um synchrone und asynchrone Replikation, Snapshots, Thin Clones und Thin Provisioning. Die Mehrzahl der Hersteller setzt dagegen auf Standard-SSDs. Zu dieser Kategorie zählt beispielsweise Pure Storage. Dieser Hersteller hat sein Portfolio Mitte 2014 um das Einstiegsmodell FA-405 und das High-Performance-System FA-450 erweitert. Die neue Version 4.0 des Betriebssystems Purity unterstützt nun auch asynchrone Replikation, Snapshots und ein Policy-Management. Durch die integrierte Deduplizierung und Komprimierung lassen sich die zu speichernden Daten laut Hersteller im Durchschnitt um den Faktor 6 reduzieren. Damit kann das FA-405-System auf zwei HE bis zu 40 TByte nutzbaren Speicherplatz bereitstellen. Das FA-450-Modell bietet auf vier HE maximal 250 TByte nutzbaren Speicher. Pure Storage garantiert für die SSDs eine Haltbarkeit von sieben Jahren. Die Großen kaufen ein Die traditionellen Storage-Hersteller bieten Flash-Speicher zum einen als "Hybrid"-Option für ihre festplattenbasierenden Arrays an. Zum anderen haben sie ihr Portfolio um All-Flash-Systeme erweitert - meist durch Zukäufe. So hat EMC im Jahr 2012 Xtremio übernommen und Ende 2013 das gleichnamige All Flash Array auf den Markt gebracht. EMC setzt auf Standardkomponenten und verwendet eMLC-SSDs. Die Garbage Collection führen die SSD-Controller durch. Thin Provisioning und Inline-Deduplizierung reduzieren die zu speichernden Datenmengen. Ab Ende 2014 soll die Lösung auch eine Komprimierung unterstützen. Ein Xtremio-System besteht aus mindestens zwei sogenannten X-Bricks und lässt sich auf maximal sechs HE mit 90 TByte Raw-Speicherkapazität ausbauen. Bei einer Deduplizierungsrate von 6:1 würde die nutzbare Kapazität bei 540 TByte liegen. Das System unterstützt zudem platzsparende Point-in-Time-Snapshots. Eine native Spiegelung beherrscht Xtremio bislang nicht. Die Flash Arrays lassen sich aber in die Vplex-Virtualisierungslösung von EMC integrieren. Damit sind unter anderem Spiegelung sowie Storage Tiering möglich. Mit Dssd hat EMC Mitte 2014 zudem ein weiteres Start-up übernommen, das eine neue Flash-Speicherarchitektur für sehr I/O-intensive In-Memory-Datenbanken und Big Data Workloads wie SAP Hana oder Hadoop entwickelt, die sehr niedrige Latenzzeiten erreichen soll. HDS wiederum verfolgt einen integrativen Flash-Ansatz, der die selbst entwickelten "Flash Memory Drives" (FMDs) in die klassischen Speichersysteme integriert. Für Anwender, die ein All-Flash-System wünschen, bietet Hitachi ein "HUS VM"-Modell an, das ausschließlich mit FMDs bestückt ist und bis zu 308 TByte Raw-Kapazität bietet. Auch HP bietet Flash-Speicher als Option für seine Storage-Systeme an. Mit dem "3Par 7450" hat HP zudem ein All Flash Array im Portfolio, das über leistungsfähigere und mit mehr Cache ausgestattete Storage Controller verfügt. Dadurch steigt die Performance im Vergleich zu einem normalen 3Par-System um 15 bis 25 Prozent. Das Flash-System beherrscht alle Speicher-Management-Funktionen der 3Par-Familie wie synchrone und asynchrone Replikation oder Thin Provisioning. Voraussichtlich ab Ende 2014 werden die 3Par-Systeme auch eine Inline-Deduplizierung für Flash-Laufwerke unterstützen. HP gewährt bei 3Par-Systemen für die MLC-SSDs eine Garantie von fünf Jahren. IBM hat sein Storage-Portfolio durch die Übernahme von "Texas Memory Systems" im Jahr 2012 um ein All Flash Array erweitert. Anfang 2014 präsentierte der Hersteller das neue Modell 840, das auf zwei HE über maximal zwölf Speichermodule bis zu 48 TByte eMLC-Flash bereitstellt (Raw-Kapazität). Die Flash-Module sind über zwei Crossbar Switches mit der Backplane verbunden. Das 840-System erreicht beim Lesen eine Latenzzeit von 0,13 ms, beim Schreiben sind es unter 0,1 ms. Im Gegensatz zu den Vorgängermodellen lassen sich nun alle Komponenten im laufenden Betrieb austauschen. Anstelle einer Deduplizierung hat IBM eine Real-time Compression implementiert, die bei Datenbanken 60 bis 80 Prozent Speicherplatz einsparen kann. Um Speicher-Management-Funktionen wie automatisches Storage Tiering, Thin Provisioning oder synchrone und asynchrone Spiegelung nutzen zu können, bietet IBM das Flash-System als "V840" mit der integrierten Storage-Virtualisierung "IBM SAN Volume Controller (SVC)" an. Zu den Alleskönnern zählt auch Netapp. So lassen sich die festplattenbasierenden FAS-Systeme mit Flash-Karten und SSDs erweitern oder auch komplett mit SSDs bestücken. Die maximale Performance bieten die für Flash optimierten Arrays EF540 und EF550, in denen SLC-SSDs zum Einsatz kommen. Das Basissystem stellt auf zwei HE bis zu 24 SSDs bereit und lässt sich auf maximal 120 Laufwerke und 96 TByte Raw-Speicherkapazität ausbauen. Verwalten lassen sich die EF-Systeme mit der Software Santricity. Diese unterstützt unter anderem Thin Provisioning sowie synchrone und asynchrone Replikation. Netapp entwickelt derzeit mit Flashray ein neues All-Flash-System, das auch eine Inline-Deduplizierung unterstützen soll. Vorteile von Hybridlösungen Trotz der zahlreichen Anbieter von All-Flash-Systemen haben Hybridlösungen bislang den größeren Marktanteil. Dies liegt vor allem daran, dass Festplatten beim Preis pro GByte nach wie vor günstiger sind als Flash-Speicher. Mit einem automatischen Storage Tiering, das selten genutzte Daten auf langsamere kostengünstigere Platten verschiebt, können Unternehmen Einsparpotenziale nutzen. Wie effizient ein derartiges Tiering arbeitet, hängt von der Implementierung des jeweiligen Herstellers ab. HDS hat für seine Hybridlösungen die sogenannten "Accelerated Flash"-Karten entwickelt. Diese sind direkt an das zentrale Core-Matrix-Bussystem des Storage Arrays angebunden. Das schon erwähnte MLC-basierende FMD liefert dabei laut HDS eine drei- bis viermal höhere I/O-Performance als normale SSDs. Auch die Speicherkapazitäten von 1,6 TByte und 3,2 TByte liegen deutlich über den SSD-Kapazitäten. Die Accelerated-Flash-Module von HDS sind für die Highend-Plattform VSP sowie für die Midrange-Systeme HUS VM und HUS 150 erhältlich. Ein 2-HE-Einschub nimmt bis zu zwölf FMDs auf. In jedem FMD arbeitet ein Controller, der unter anderem ausgefeilte Fehlerkorrektur- und Wear-Leveling-Mechanismen ausführt. Die Garbage Collection erfolgt über eine dedizierte Leitung, sodass die Anwendungs-Performance nicht darunter leidet. Die FMDs verfügen zudem über eine mit 25 Prozent großzügig ausgelegte Reservekapazität. Zur Verlängerung der Lebensdauer trägt auch die Inline-Komprimierung bei. Eine Deduplizierung unterstützt HDS bislang nicht. Alle von HDS angebotenen Speichersysteme lassen sich über die "Hitachi Command Suite" zentral verwalten. Zu den Anbietern von Hybridlösungen zählt auch Dell mit den PS-Speichersystemen (ehemals Equallogic) und den SC-Storage-Arrays (ehemals Compellent). Beide Produktfamilien sind auf Wunsch auch als All-Flash-Systeme erhältlich. Die in den SC-Modellen integrierte Virtualisierungsarchitektur unterstützt unterschiedliche Plattentypen inklusive SLC- und MLC-SSDs. Dadurch ist zum Beispiel ein dreistufiges Tiering mit SLC-SSDs, MLC-SSDs und Nearline-SAS-Platten möglich. Die SC-Systeme unterstützen eine synchrone und asynchrone Spiegelung sowie Thin Provisioning. Eine Deduplizierung soll demnächst folgen. Auf Speicher für VMware-Umgebungen hat sich das 2008 gegründete Unternehmen Tintri spezialisiert. Die Speichersysteme verwenden SSDs als schnelles Tier, das etwa zehn Prozent der Gesamtkapazität ausmacht. Alle Schreib- und Lesevorgänge kommen immer auf den SSDs zur Ausführung. Laut Hersteller lassen sich 99,9 Prozent aller I/O-Anforderungen aus dem Flash-Speicher heraus bedienen. Eine Inline-Deduplizierung und Komprimierung reduzieren die zu speichernden Datenmengen. Tintri ist zudem in der Lage, jeden I/O derjenigen virtuellen Maschine (VM) zuzuordnen, die diesen verarbeitet. Dadurch ist es möglich, für einzelne VMs Quality of Service zu garantieren. Ein weiterer Hersteller, der sich auf Hybridsysteme mit einer intelligenten Kombination von SSDs und HDDs spezialisiert hat, ist Nimble Storage. Die "Adaptive Flash Platform" kann sowohl hohe Leistungsanforderungen als auch hohe Speicherkapazitäten abbilden. Für die Optimierung von Schreibvorgängen setzt Nimble NVDIMMs ("Non-Volatile") ein, die eine Latenz von nur 0,2 bis 0,3 ms aufweisen. Zudem schreibt das System Random Writes zuerst in sequenzielle Container, die anschließend als Full-Stripe Writes auf die HDDs übertragen werden. Eine Inline-Komprimierung reduziert dabei die Datenmenge. Die SSDs kommen ausschließlich als Read Cache zum Einsatz. Blick in die Zukunft Die meisten Fachleute sind sich einig, dass NAND-Flash-Speicherlösungen nur eine Übergangstechnik darstellen und nicht die nächsten 50 Jahre prägen werden, wie es der guten alten Festplatte gelungen ist. Zukunftschancen werden der neuen Speichertechnik "Phase Change Memory" (PCM) eingeräumt, die ein Konsortium um IBM, Samsung und Toshiba entwickelt. Auch andere Branchengrößen arbeiten - wie HP mit "Memristor" - an Nachfolgetechniken. In den kommenden Jahren wird es zudem Veränderungen bei der Anbindung der Server an die Speichersysteme geben. Durch die weiter steigenden Performance-Anforderungen muss der Speicher wieder näher an den Server rücken, der die Daten verarbeitet. Mehrere Hersteller bieten bereits Caching-Lösungen an, mit denen sich die im Server verbauten Caching-Module mit den Storage-Systemen integrieren lassen. Für die physische Anbindung könnte PCI-Express External zum Einsatz kommen, das sehr niedrige Latenzzeiten bietet. Die Speichersysteme sind dabei direkt an den PCIe-Bus des Servers angebunden. Bis derartige Lösungen marktreif sind, werden aber noch ein paar Jahre vergehen. Bis dahin stehen Unternehmen mit den heute verfügbaren All-Flash- und Hybridlösungen leistungsfähige Speichersysteme zur Verfügung, mit denen sich die steigenden Performance-Anforderungen erfüllen lassen. Die Preise für Flash-Speicher werden weiter sinken, sodass es nicht mehr allzu lange dauern wird, bis All Flash Arrays auch beim Preis pro GByte Raw-Kapazität nicht mehr teurer sind als HDD-Speichersysteme. Der Autor auf LANline.de: chjlange
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