NVMe-OF und SCM ermöglichen Rekorde

Non-Volatile Memory Express over Fabrics (NVMe-oF) und Storage Class Memory (SCM) können für neue Geschwindigkeitsrekorde und einen Innovationsschub sorgen.

Vor fünf Jahren haben Flash-Laufwerke den Markt aufgewirbelt. Mittlerweile sind Flash-First-Arrays Standard ge...

worden.

Haben nun das neue Protokoll Non-Volatile Memory Express over Fabrics (NVMe-oF) sowie die neue Speicherklasse Storage Class Memory (SCM) das Potential, sich in ähnlicher Weise durchzusetzen?

Als die ersten NAND Solid-State Disks (SSDs) auf den Markt kamen, wurde auf Daten noch mittels traditionellen Block-Protokollen wie SCSI zugegriffen. Die SSDs wurden physisch mit Server und Array Controller mit einer SATA und SAS Bus-Infrastruktur verbunden. Für Server-Side-Caching waren PCIe-Karten populär.   

Im Laufe der Entwicklung von NAND-Flash zeigte sich das SCSI-Protokoll als Hemmschuh. Die Hersteller antworteten auf dieses Problem mit dem neuen Protokoll Non-Volatile Memory Express (NVMe), das die Leistungen von nichtflüchtigem Speicher verbessert.

Damit kann Flash viel besser mit parallelen Datenzugriffen umgehen als Festplatten. Anfangs nutzte NVMe den PCIe-Bus, um das Dilemma mit SCSI zu überwinden.

Seit kurzem sind neue nichtflüchtige Speicherklassen wie 3D XPoint verfügbar. Diese sind viel schneller als traditioneller 3D-NAND Flash und nähern sich der Geschwindigkeit von dynamischem RAM (DRAM) an. Diese Storage Class Memory (SCM) kann auf dem Byte-Level adressiert werden, während NAND-Speicher den Page-Level nutzt. SCM ist tausendmal schneller und haltbarer als NAND, ist aber im Moment noch sehr teuer. SCM macht nur Sinn in Kombination mit dem NVMe-Protokoll.

Ähnlich wie Fibre Channel und iSCSI das SCSI-Protokoll in die Fabric gebracht haben, wird auch NVMe für die Fabric erweitert.

NVMe-oF operiert über Fibre Channel, TCP oder Remote Direct Memory Access (RDMA) und ist im Hinblick auf die Transportmethode agnostisch. Für NVMe-oF ausgelegte Anwendungen sollten über die Fabric nur schwach von Latenzen betroffen sein.

Weil NVMe-oF noch relativ neu ist, wird es noch eine Weile dauern, bis Betriebssysteme wie Windows oder Linux das Protokoll unterstützen.

Warum macht NVMe-oF einen Unterschied aus

Was ist nun die Bedeutung von NVMe-oF für Speicherarchitekturen? Weil die Architektur geändert werden muss, um von den Vorteilen von SCM oder NAND der neuen Generation zu profitieren. Die meisten All-Flash-Arrays erreichen Latenzen von weniger als einer Millisekunde und Spitzenprodukte sogar unter 500 Mikrosekunden. Arrays auf der Basis von SCM mit NVMe-oF können 50 Mikrosekunden erreichen.

Viele externe Arrays wurden so ausgelegt, dass Rich Data Services direkt im Pfad der Daten lagen. Das behinderte die von SCM versprochene Latenzverbesserung. Anfangs wird SCM wohl vor allem als Cache eingesetzt werden und ist in dieser Rolle günstiger als teures batteriegepuffertes dynamisches RAM.

Später wird SCM aber auch für Langzeitdaten interessant und wird dann die Rich Data Services in All-Flash-Arrays nutzen. Genau wie Flash anfangs gemeinsam mit Festplatten in hybriden Arrays verwendet wurde, wird SCM ein funktionales Storage-Tier werden und gemeinsam mit Hochleistungs-NAND-SSDs in einem Array koexistieren.

Um dies zu erreichen, empfehlen wir Herstellern, die folgenden Betrachtungen in Erwägung zu ziehen.

Storage und Controller

Trennen Sie die Control und Data Planes: Eine Optimierung der Daten im Hinblick auf Latenz und Durchsatz ist sehr wichtig. Die beste Methode, um Rich Data Services zu beschleunigen, ist es, die Control-Operationen von den Data-Operationen getrennt zu halten.

Bewerten Sie neu, welche Data Services Sie inline oder Post-Process halten: SCM wird einige fortschrittliche Data Services mit akzeptabler Post-Process-Funktionalität ermöglichen und gleichzeitig die gesamte Performance optimieren. Es wäre wohl besser, zunächst Daten mit minimaler Latenz anzulanden und erst später Funktionen wie Kompression oder Deduplikation auszuführen. Verschlüsselung und Haltbarkeitsfunktionen wären von dieser Regel ausgenommen.

Verabschieden Sie sich von alten Protokollen: Künftige Produkte sollten NVMe-oF als optimiertes und primäres Zugangsprotokoll verwenden und nur über ein Gateway File-, Objekt- und alte SCSI-Block-Protokollen den Zugriff erlauben.

SDS und Hyperkonvergenz

Setzen Sie auf lokal angeschlossenes SCM und NVMe SSDs: Bei Industriestandard-Servern wurden SCM und NVMe zuerst verwendet. Für Storage-Anbieter wird es viel leichter werden, diese neuen Technologien zu verwenden und Software zu entwickeln, um die Speicherstruktur weiter ausreifen zu lassen.

Ziehen Sie in Erwägung, Just a Bunch of Flash (JBOF) mit Unterstützung für NVMe-oF für Direct-Attached-Storage (DAS) zu verwenden: Die Anbieter von NVMe-oF Chips wie Mellanox ermöglichen Shared Storage JBOF. Wenn die Hersteller von hyperkonvergenten Infrastrukturen (HCI) und SDS diese Technologie aufnehmen, könnten sie Konfigurationen mit flexiblen Verhältnissen von Compute zu Storage bereitstellen. Mit dieser Methode könnten sie einfach auf populäre Blade-Server-Systeme aufsetzen und On-Demand das Verhältnis von Compute zu Storage regeln.

Setzen Sie auf NVMe-oF über Knoten und Cluster hinweg: Die Anbieter von SDS und HCI können NVMe-oF nutzen, um Haltbarkeit und Kapazität zwischen nebeneinander liegenden Serverknoten zu verbessern, indem sie lokal angeschlossene NVMe-Geräte für andere Knoten in der Architektur verfügbar machen.

Einige Hersteller werden pragmatisch SCM und NVMe hinzufügen, ähnlich wie beim Übergang von Festplatten zu Flash. Andere setzen auf die radikale Methode und bieten All-SCM-Arrays mit extrem niedriger Latzenz, 10 Millionen IOPS in zwei Höheneinheiten.

Diese Geschwindigkeit ist überragend und ich erwarte, dass neue Anbieter damit auftrumpfen können, wenn die beiden transformativen Technologien weiter ausreifen.

SCM und NVMeoF sorgen für neue Innovationssprünge in der Branche. Fragen Sie bereits jetzt die Anbieter, wie sie mit SCM und NVMeoF umgehen wollen und ob Sie mit Ihren Anschaffungen für die Zukunft gerüstet sind.    

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