Computational Storage:
99,999 % Quality of Service (QoS) bei NVMe-Systemen

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Ein Servicelevel Agreement mit 99,999 % Verfügbarkeit bei Computational Storage Systemen gelten als „magischer Wert“. Das sind lediglich 5 Minuten Ausfall pro Jahr.

Um das zu erreichen, ist ein neuer Ansatz für die Datenspeicherung erforderlich. Eine Lösung, die das Leseerlebnis und die Schreibleistung maximiert. Der Stromverbrauch und die Skalierbarkeit werden bei den Produkten von NGD zusätzlich optimiert.

Dabei hat sich in modernen Computerarchitekturen gezeigt, dass die "schnellste" nicht immer die beste Lösung für die Maximierung der Leistung von Rechen- und Speicherinfrastrukturen ist.

Während die reine IOPS-Leistung von Speichern mit dem Wechsel von SATA/SAS zu NVMe sowie von PCIe Gen 3.0 zu Gen 4.0 weiter zunimmt, hat sich gezeigt, dass die Maximierung der Bandbreite dieser Schnittstellen nicht unbedingt zu einer insgesamt leistungsfähigeren Systemlösung führt.

Dies gilt insbesondere für die jetzt verfügbaren Plattformen, die 48 Laufwerke oder mehr in einem 2-HE-Gehäuse unterstützen können. Wir haben festgestellt, dass die Leistungsdaten der einzelnen Laufwerke irrelevant werden, wenn die Schnittstellen auf Systemebene nicht in der Lage sind, so viel Rohbandbreite (BW) zu aggregieren. Die Laufwerke werden zwar schneller, aber die Bandbreite der Systemschnittstelle ist immer noch begrenzt - man kann einfach nicht mehr Daten in die Leitung zwingen.

Asymptotische Leistungsgrenze

Die durch die CPU-Leistung und/oder die Netzwerkschnittstellen begrenzte Geschwindigkeit auf Geräteebene führt zu einer asymptotischen Leistungsgrenze, und dieser Engpass ist mit hohen Kosten verbunden. Ein Speichermedium mit einer höheren Schnittstellen-Bandbreite benötigt ein teures Speicher Subsystem. Dieses Subsystem benötigt wiederum einen Hochleistungscontroller mit vielen Kanälen, zusätzlichen Speicher und vergrößerte Dies.

Fokus auf Latenzzeit als Lösung

Es zeichnet sich ein neuer Trend ab, der genau dieses Problem angeht. Ob er nun Leistungsoptimierung oder QoS (Quality of Service) genannt wird: Der Ansatz besteht darin, Speicher wie NVMe-Laufwerke einzusetzen, die eine hohe interne Lesebandbreite mit einer optimierten Schreibleistung bieten, um die Nutzung vieler Laufwerke pro System durch Kundenanwendungen zu maximieren. Mit diesem Fokus auf die Latenzzeit ist jedes Speichergerät in der Lage, auf Hostanfragen in einer extrem vorhersehbaren Weise zu reagieren.

Das bedeutet 99,999 % Verfügbarkeit

Ein gängiges Maß für diese Konsistenz wird durch eine Anzahl von „Neunen" gemessen. Damit ein Speichergerät einen Wert von 5x9 erreicht, muss es Aufgaben innerhalb eines bestimmten Zielfensters in 99,999 % der Zeit erledigen. Das bedeutet, dass weniger als einer von 10.000 Befehlen außerhalb eines Zeitfensters abgeschlossen werden darf, unabhängig von den Aktivitäten in diesem Gerät.

Ein rechenbezogenes Beispiel

Eine „analoge“ Betrachtungsweise ist das Modell des Einsteigens in ein Flugzeug. Am effizientesten wäre es, das Flugzeug von hinten zu besteigen, zuerst am Fenster, dann in der Mitte, dann am Gang, und dann schrittweise nach vorne zu gehen. Auf diese Weise ließe sich ein Einsteigevorgang mit einer Effizienz von 99,999 % oder anders ausgedrückt 5 Neunen erreichen. Da das Einsteigen jedoch nach Klasse und Mitgliedsstatus erfolgt, entsteht ein völlig zufälliger Prozess. Dabei sinkt die Effizienz unter 1x9 der Quality of Service (QoS) – ein Maß für die Qualität eines Dienstes aus Anwendersicht.

Lösung für QoS-Anforderungen von Computeranwendungen

NGD Systems hat eine Lösung mit patentierten Algorithmen für Elastic FTL, Programmable ECC und Datenplatzierung entwickelt, die in die Controller-Architektur integriert sind. Der Kern der Plattform verwaltet die Lese- und Schreibvorgänge und stellt sicher, dass die Bereinigungsmaßnahmen keine negativen Auswirkungen auf die Host-QoS haben. Eine engere Verteilung der Antwortzeiten zeigt eine höhere Konsistenz an.

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Die Abbildung zeigt die 5-Neuner-Verteilung für die NGD Systems Intelligent Storage Plattform und die einer Konkurrenzlösung mit identischen Arbeitslasten. Für diesen Test wurden die Laufwerke gegen ein FIO-Skript (Linux-Testplattform) mit einer Arbeitslast des Kunden ausgeführt, die dessen Anwendungsfall mit gemischten Lese- und Schreibvorgängen nachahmt.

Das Ergebnis: Optimierte Reaktionszeitleistung, die plattform- und arbeitslastübergreifend skalierbar ist. Und das Ganze in einem NVMe-Laufwerk, das nur 12 Watt Strom verbraucht.

Das müssen Sie über NGD Systems wissen

NGD Systems stellt die weltweit fortschrittlichsten Computational Storage Drives (CSDs) her. Hier werden neue Leistungsniveaus erreicht, die von der nächsten Generation datenintensiver Anwendungen benötigt werden.

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