Definition

All-Flash Array (AFA)

Mitarbeiter: Garry Kranz

Ein All-Flash-Array (AFA), auch als Solid-State-Speichersystem bekannt, ist ein externes Speicherarray, das nur Flash-Medien für die dauerhafte Speicherung verwendet. Flash-Speicher wird anstelle der sich drehenden Festplattenlaufwerke (HDDs) verwendet, die lange Zeit mit vernetzten Speichersystemen in Verbindung gebracht wurden.

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Anbieter, die All-Flash Arrays verkaufen, ermöglichen es Kunden in der Regel, Flash- und Festplattenlaufwerke im selben Gehäuse zu kombinieren, eine Konfiguration, die als Hybrid-Array0 bezeichnet wird. Diese Produkte stellen jedoch oft den Versuch des Verkäufers dar, ein vorhandenes Festplatten-Array nachzurüsten, indem einige der Medien durch Flash ersetzt werden.

All-Flash-Array-Design: Nachgerüstet oder Spezialanfertigung

Andere Anbieter verkaufen speziell angefertigte Systeme, die von Grund auf nativ entwickelt wurden und nur Flash unterstützen. Diese Modelle enthalten auch eine breite Palette von softwaredefinierten Speicherfunktionen zur Verwaltung von Daten auf dem Array.

Ein definierendes Merkmal eines AFA ist die Einbeziehung nativer Softwaredienste, die es den Benutzern ermöglichen, Datenverwaltung und Datenschutz direkt auf der Array-Hardware durchzuführen. Dies unterscheidet sich von serverseitigem Flash, das auf einem Standard-x86-Server installiert ist. Das Einfügen von Flash-Speicher in einen Serverist viel billiger als der Kauf eines reinen Flash-Arrays, erfordert jedoch auch den Kauf und die Installation von Verwaltungssoftware von Drittanbietern, um die benötigten Datendienste bereitzustellen.

Führende All-Flash-Anbieter haben Algorithmen für Array-basierte Dienste zur Datenverwaltung geschrieben, einschließlich Klonen, Komprimierung und Deduplizierung - entweder als Inline- oder Post-Processing-Vorgang -, Snapshots, Replikation und Thin Provisioning.

Wie sein plattenbasiertes Gegenstück bietet ein All-Flash Array gemeinsam genutzten Speicher in einer SAN- (Storage Area Network) oder NAS-Umgebung (Network Attached Storage).

Unterschiede zwischen All-Flash Array und Festplatten

Flash-Memory, was keine beweglichen Teile hat, ist eine Art nichtflüchtiger Speicher (non-volatile), der gelöscht und in Speichereinheiten, so genannten Blöcken, neu programmiert werden kann. Es handelt sich um eine Variante des EEPROM, der seinen Namen erhielt, weil die Speicherblöcke mit einer einzigen Aktion, quasi blitzartig (englisch: flash), gelöscht werden können. Ein Flash-Array kann Daten von und zu Solid-State Drives (SSDs) viel schneller übertragen als elektromechanische Plattenlaufwerke.

Der Vorteil eines All-Flash Arrays im Vergleich zu festplattenbasierten Speichern liegt in der Leistung bei voller Bandbreite und einer geringeren Latenzzeit, wenn eine Anwendung eine Abfrage zum Lesen der Daten durchführt. Der Flash-Speicher in einer AFA wird typischerweise in Form von SSDs angeboten, die im Design einem integrierten Schaltkreis ähneln.

Abbildung1: Beispielbild eines All-Flash Arrays, hier das FlashBlade von Pure Storage.
Abbildung1: Beispielbild eines All-Flash Arrays, hier das FlashBlade von Pure Storage.

Flash ist teurer als eine rotierende Platte, aber durch die Entwicklung von Multi-Level-Cell (MLC)-Flash, Triple-Level-Cell (TLC)-NAND-Flash und 3D-NAND-Flash in Form von QLC konnten die Kosten gesenkt werden. Diese Technologien ermöglichen eine höhere Flash-Dichte ohne die Kosten, die mit der Verkleinerung von NAND-Zellen verbunden sind. Allerdings verringert sich die Lebensdauer, je mehr Bits pro Zelle das Medium aufnehmen kann.

MLC-Flash ist langsamer und weniger langlebig als Single-Level-Cell (SLC)-Flash, aber die Unternehmen haben Software entwickelt, die den Verschleißgrad verbessert, um MLC, TLC und QLC für Unternehmensanwendungen akzeptabel zu machen. SLC-Flash bleibt jedoch die Wahl für Anwendungen mit den höchsten I/O-Anforderungen. TLC-Flash senkt den Preis stärker als MLC, obwohl es auch Kompromisse bei Leistung und Haltbarkeit mit sich bringt, die mit Software abgeschwächt werden können. Mittlerweile bieten die meisten Hersteller eine breite Wahl an unterschiedlichen Flash-Medien, so dass es für jede Performance- und Budgetanforderung eine Lösung gibt.

Überlegungen beim Kauf eines All-Flash Arrays

Die Entscheidung, ein AFA zu kaufen, umfasst mehr als nur den einfachen Vergleich von Produkten von Anbietern. Ein All-Flash-Array, das für eine bestimmte Gruppe von Anwendungen massive Leistungssteigerungen liefert, bietet möglicherweise nicht die gleichen Vorteile für andere Workloads. Beispielsweise ist die Ausführung virtualisierter Anwendungen in Flash mit Inline-Datendeduplizierung und -Komprimierung tendenziell kostengünstiger als Flash, das Streaming-Medien unterstützt, bei denen einzelne Dateien nicht komprimierbar sind.

Ein reines SSD-System erzeugt kleinere Variationen als ein HDD-Array bei maximalen, minimalen und durchschnittlichen Latenzen. Dadurch eignet sich Flash gut für die meisten leseintensiven Anwendungen.

Der Kompromiss liegt in der Schreibverstärkung, die sich darauf bezieht, wie eine SSD Daten neu schreibt, um einen ganzen Block zu löschen. Bei schreibintensiven Workloads ist ein spezieller Algorithmus erforderlich, um alle Schreibvorgänge auf demselben Block des SSD zu sammeln und so sicherzustellen, dass die Software immer mehrere Änderungen in denselben Block schreibt.

Garbage Collection kann bei SSDs ein ähnliches Problem darstellen. Eine Flash-Zelle kann nur einer begrenzten Anzahl von Schreibvorgängen standhalten, daher kann Wear Leveling zur Erhöhung der Flash-Lebensdauer verwendet werden. Die meisten Hersteller entwerfen ihre All-Flash-Systeme so, dass die Auswirkungen von Garbage Collection und Wear Leveling minimiert werden, obwohl Benutzer mit schreibintensiver Arbeitslast das Array eines Herstellers möglicherweise unabhängig testen möchten, um die beste Konfiguration zu ermitteln.

Obwohl sie im Voraus einen höheren Preis für das System zahlen, können Benutzer, die ein AFA kaufen, feststellen, dass die Speicherkosten mit der Zeit sinken. Dies hängt mit der erhöhten CPU-Auslastung eines All-Flash-Arrays zusammen, was bedeutet, dass ein Unternehmen weniger Anwendungsserver kaufen muss.

Die physische Größe eines AFA ist kleiner als die eines Disk-Arrays, wodurch sich die Anzahl der Racks verringert. Da weniger Racks in einem System vorhanden sind, verringert sich auch die erzeugte Wärme und die im Rechenzentrumverbrauchte Kühlleistung.

Anbieter, Produkte und Märkte von All-Flash Arrays

Flash wurde zunächst als eine Handvoll SSDs in ansonsten reinen HDD-Systemen eingeführt, mit dem Ziel, eine kleine Flash-Schicht zu schaffen, um einige wenige kritische Anwendungen zu beschleunigen. So wurde das Hybrid Flash Array geboren.

Die nächste Phase der Evolution kam mit dem Aufkommen von Software, die es ermöglichte, eine SSD als Frontend-Cache im Festplattenspeicher zu verwenden und so den Vorteil einer schnelleren Leistung auf alle Anwendungen auszudehnen, die auf dem Array laufen.

Der heute nicht mehr existierende Anbieter Fusion-io war ein früher Pionier des schnellen Flash. Fusion-io wurde 2005 auf den Markt gebracht und verkaufte PCIe-Karten (Peripheral Component Interface Express) mit Flash-Chips. Durch Einsetzen der PCIe-Flash-Karten in Serversteckplätze konnte ein Rechenzentrum die Leistung herkömmlicher Serverhardware steigern. Fusion-io wurde 2014 von SanDisk übernommen, das seinerseits anschließend von Western Digital übernommen wurde.

Ebenfalls früh bahnbrechend war Violin, dessen Systeme, die aus speziell angefertigtem Silizium hergestellt wurden, schnell Kunden gewannen und 2013 den Aufstieg auf den öffentlichen Märkten beflügelten. Um 2017 wurde Violin von Konkurrenten übertroffen, deren Arrays hochentwickelte Software-Datendienste integrierten. Nach der Insolvenz wurde der Anbieter 2018 von privaten Investoren als Violin Systems neu gegründet, wobei der Schwerpunkt auf dem Verkauf von All-Flash-Storage an Managed Service Provider lag.

Abbildung 2: Ein Kurzüberblick über die bekanntesten AFA-Anbieter.
Abbildung 2: Ein Kurzüberblick über die bekanntesten AFA-Anbieter.

Anbieter von All-Flash-Arrays, wie Pure Storage und XtremIO - Teil von Dell EMC - gehörten zu den ersten, die Inline-Komprimierung und Datendeduplizierung integriert haben, die heute von den meisten anderen Anbietern auch als Standardfunktion angeboten werden. Das Hinzufügen der Deduplizierung trug dazu bei, dass AFAs eine Preisparität mit Speicher mit preiswerteren rotierenden Medien erreichten.

Eine Auswahl der führenden All-Flash-Array-Produkte umfasst folgende Systeme:

Dell EMC VMAX

Dell EMC Unity

Dell EMC XtremIO

Dell EMC Isilon NAS

Fujitsu Eternus AF

Hewlett Packard Enterprise (HPE) 3PAR StoreServ

HPE Nimble Storage AF-Serie

Hitachi Vantara Virtual Storage Platform

Huawei OceanStor

IBM FlashSystem V9000

IBM Storwize 5000 und Storwize V7000F

Kaminario K2

NetApp All-Flash Fabric-Attached Array (NetApp AFF)

NetApp SolidFire Familie - einschließlich NetApp HCI

Oure Storage FlashArray

Pure Storage FlashBlade-NAS/Objektspeicher-Array

Tegile Systems T4600 - 2017 von Western Digital gekauft

Tintri EC-Reihe

Auswirkungen auf Hybrid-Arrays

Sinkende Flash-Preise, Datenwachstum und integrierte Datendienste haben die Attraktivität von All-Flash Arrays für viele Unternehmen erhöht. Dies hat zu Spekulationen in der Branche geführt, dass All-Flash-Speicher Hybrid-Arrays verdrängen kann, obwohl es nach wie vor gute Gründe gibt, den Einsatz einer hybriden Speicherinfrastruktur in Erwägung zu ziehen.

HDDs bieten eine vorhersehbare Leistung zu relativ niedrigen Kosten pro Gigabyte, obwohl sie mehr Strom verbrauchen und langsamer als Flash sind, was zu hohen Kosten pro IOPS führt. All-Flash Arrays haben niedrigere Kosten pro IOPS, verbunden mit den Vorteilen der Geschwindigkeit und des geringeren Stromverbrauchs, aber sie haben einen höheren Anschaffungspreis im Voraus und höhere Kosten pro Gigabyte.

Abbildung 3: Die häufigsten Gründe, warum ein Hybrid oder All-Flash Array eingesetzt wird.
Abbildung 3: Die häufigsten Gründe, warum ein Hybrid oder All-Flash Array eingesetzt wird.

Ein Hybrid-Flash-Array ermöglicht es Unternehmen, ein Gleichgewicht zwischen relativ niedrigen Kosten und ausgewogener Leistung zu finden. Da ein Hybrid-Array Festplattenlaufwerke mit hoher Kapazität unterstützt, bietet es einen größeren Gesamtspeicher als ein AFA.

All-Flash-NVMe und NVMe over Fabrics

All-Flash-Arrays, die auf Non-Volatile Memory Express (NVMe)-Flash-Technologien basieren, stellen die nächste Phase der Produktreife dar. Die NVMe-Host-Controller-Schnittstelle beschleunigt den Datentransfer, indem sie es einer Anwendung ermöglicht, direkt mit dem Backend-Speicher zu kommunizieren.

NVMe ist als eine schnellere Alternative zum SCSI-Standard (Small Computer System Interface) gedacht, der Daten zwischen einem Host und einem Zielgerät überträgt. Die Entwicklung des NVMe-Standards findet unter der Schirmherrschaft von NVM Express Inc. statt, einer gemeinnützigen Organisation, der mehr als 100 Technologieunternehmen angehören.

Der NVMe-Standard wird weithin als der mögliche Nachfolger der SAS- und SATA-Protokolle angesehen. Zu den NVMe-Formfaktoren gehören Add-in-Karten, U.2 2,5-Zoll- und M.2-SSD-Geräte.

Einige der verfügbaren NVMe-basierten Produkte sind

  • DataDirect Networks FlashScale
  • Datrium DVX-Hybridsystem
  • HPE Persistent Memory
  • Kaminario K2.N
  • Mikron Accelerated Solutions NVMe Referenzarchitektur
  • Micron SolidScale NVMe over Fabrics-Anwendungen
  • Pure Storage FlashArray//X
  • Tegile IntelliFlash

Eine Handvoll von NVMe-Flash-Startups bringen ebenfalls Produkte auf den Markt, darunter auch:

  • Apeiron Data Systems kombiniert NVMe-Laufwerke mit Datendiensten, die in Field Programmable Gate Arrays (FPGA) anstelle von Servern untergebracht sind, die an Speicher-Arrays angeschlossen sind.
  • E8 Storage E8-D24 NVMe-Flash-Arrays replizieren Snapshots auf angeschlossene Compute-Server, um den Verwaltungsaufwand auf dem Array zu reduzieren.
  • Excelero Software-defined Storage (SDS) läuft auf jedem x86-Server.
  • Mangstor MX6300 NVMe over Fabrics (NVMe-oF)-Speicher ist eine PCIe NVMe-Add-in-Karte in Dell PowerEdge-Servern.
  • Pavilion Data Systems vertreibt Pavillion Memory Array.
  • Vexata VX-100 basiert auf der softwaredefinierten Vexata Active Data Fabric.

Branchenexperten gehen davon aus, dass 2018 mehr End-to-End-Flash-Speichersysteme im Rack-Scale-Maßstab auf NVMe-oF-Basis auf den Markt kommen werden. Diese Systeme integrieren benutzerdefinierte NVMe-Flash-Module als Fabric anstelle eines Bündels von NVMe-SSDs.

Der NVMe-oF-Transportmechanismus ermöglicht eine Fernverbindung zwischen Host-Geräten und NVMe-Speichergeräten. IBM, Kaminario und Pure Storage haben Produkte zur Unterstützung von NVMe-oF öffentlich bekannt gegeben und die meisten Speicherhersteller haben ebenso ihre Unterstützung zugesagt.

All-Flash Arrays in hyperkonvergenten Infrastrukturen

Hyper-konvergente Infrastruktursysteme (HCI) kombinieren Rechen-, Netzwerk-, Speicher- und Virtualisierungsressourcen als integrierte Appliance. Die meisten Hyper-Konvergenz-Produkte sind so konzipiert, dass sie die Festplatte als Frontend-Speicher verwenden, wobei sie zur Beschleunigung von Anwendungen oder zur Verwendung als Kühlspeicher auf eine moderate Flash-Cache-Ebene angewiesen sind. Aus Gründen, die mit der Leistung zusammenhängen, wurden die meisten HCI-Arrays traditionell nicht primär für Flash-Speicher gebaut, obwohl sich dies ab 2017 zu ändern begann.

Jetzt verkaufen die führenden HCI-Anbieter Voll-Flash-Versionen. Zu diesen Anbietern gehören Cisco, Dell EMC, HPE, Nutanix, Pivot3 und Scale Computing. NetApp brachte im Oktober 2017 ein HCI-Produkt auf den Markt, das auf seiner SolidFire All-Flash-Speicherplattform basiert.

Diese Definition wurde zuletzt im Juni 2020 aktualisiert

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