Storage-Trend
26.04.2021, 07:29 Uhr
Start-ups bringen die NVMe-Technologie voran
Einer der heissesten Speicher-Trends heisst Non-Volatile Memory Express (NVMe). Die sonst eher behäbige Storage-Sparte gewinnt allmählich an Dynamik.
(Quelle: Shutterstock/MMXeon)
Die Revolution in der IT wurde schon oft ausgerufen, aber genau genommen haben sich ihre Grundelemente gar nicht so sehr geändert: CPU, Memory (Arbeitsspeicher), Storage (Speicherort) und Netzwerk. Ob im eigenen Rechenzentrum, in der Cloud oder am Edge zwischen beiden, irgendwie müssen diese Grundelemente miteinander klarkommen. Allerdings: Die Einzelkomponenten und ihre zusammengesetzten Formen vom Mainframe bis zum Miniserver haben Veränderungen durchlaufen.
Dabei sind die Veränderungen innerhalb der Storage-Abteilung, die lange den anderen Zweigen etwas hinterherhinkte, von besonderer Dynamik. Eine wichtige Rolle dabei spielt Non-Volatile Memory Express, kurz NVMe. Mit dem NVMe-Protokoll, das speziell für Flash-Architekturen entwickelt wurde, verloren die übergangsweise weiterverwendeten SAS-, SATA- und SCSI-Protokolle an Bedeutung - sie waren nicht in der Lage, die Vorteile von Flash auszuspielen. Bei NVMe werden Flash-Speicher und CPU direkt miteinander verbunden, und von den nun möglichen Geschwindigkeiten profitieren viele Anwendungen. Besonders Datenbanken und Analytics-Tools arbeiten mit grossen Datenmengen, die kaum oder gar nicht in klassische Memories passen, um sie zügig durchforsten zu können. Moderne Festplatten verfügen zwar über grosse Kapazitäten von 16 bis 20 Terabyte, sie können aber nur mit 60 bis 200 I/O pro Sekunde (IOPS) für Lese- und Schreibprozesse angesprochen werden. Man müsste also sehr viele solcher Festplatten gleichzeitig für Auswertungen verwenden.
Auch in solchen Fällen kommt Flash ins Spiel und ist zusammen mit NVMe und NVMe-oF (NVMe over Fabrics) fast unschlagbar - egal auf welchen Netzwerkverbindungen von Ethernet bis InfiniBand diese Technologien eingesetzt werden. Da aber noch nicht alles auf diesem neuen Feld der Technologie und der Anwendungen in Stein gemeisselt ist, eröffnen sich gerade für wagemutige Start-ups exzellente Möglichkeiten.
Express und Superexpress
Die Storage Networking Industry Association (SNIA) definiert NVMe so: «NVMe ist ein neues Protokoll für den Zugang zu sehr schnellen Speichermedien, besonders All-Flash-Arrays (…). Dieses Protokoll ist vor allem für nichtflüchtige Medien (NAND und Persistent Memory) geeignet, die über die PCIe-Schnittstelle direkt mit der CPU verbunden sind. Die Transportgeschwindigkeit ist mehr als zweimal so hoch wie bei der traditionellen SATA-Schnittstelle.»
Das bedeutet: Das NVMe-Protokoll stützt sich auf parallele Datenpfade mit geringen Latenzen, ähnlich wie man sie bei hochperformanten Prozessorarchitekturen findet. Bestehende und vor allem neue Anwendungen profitieren davon, Workloads können in Echtzeit verarbeitet und zwischen Rechenzentrum und Edge-Strukturen übertragen werden. NVMe führt laut SNIA auch zu einer besseren Auslastung der Infrastruktur und reduziert so die Total Cost of Ownership.
Fibre-Channel-Netzwerke sind ein anderes Gebiet, auf dem sich die neue Technologie positiv auswirkt. NVMe over Fabrics kann laut Fibre Channel Industry Association (FCIA) die etwas ins Hintertreffen geratene Fibre-Channel-Netzwerkinfrastruktur wieder attraktiver machen. FC-Umgebungen gelten schon länger als zuverlässige, sichere und belastbare Infrastruktur - aber auch als schwierig zu installieren und nicht zuletzt als teuer. Lösungen für Cloud-Storage und Network Attached Storage (NAS) haben deshalb den FC-Netzen Konkurrenz gemacht.
All-Flash-Arrays (AFAs) begünstigen den Einsatz von NVMe, da deren erhöhte Geschwindigkeit und Performance zu Engpässen an anderen Stellen des Netzwerks führt. Das NVMe-Protokoll unterstützt nämlich Arrays auf der Basis von Non-Volatile Memory (NVM), und gespeicherte Daten bleiben selbst dann erhalten, wenn es zu Stromausfällen kommt. NVMe-oF ermöglicht den Einsatz von NVMe auf verschiedenen Netzwerkverbindungen, eignet sich aber besonders für Fibre Channel. Die FCIA führt im «Fibre Channel Solution Guide 2020» aus: «NVMe over FC erlaubt es gerade grossen Unternehmen, ihre bestehende Storage-Infrastruktur weiter zu benutzen, während sie ihre Speicheranwendungen mit NVMe optimieren. Das bestehende Netzwerk nicht einreissen zu müssen, ist Musik in den Ohren der Finanzabteilung.»
Das Segment neuer NVMe-Protokolle ist hart umkämpft, und neben vielen Start-ups - wir stellen im Folgenden drei davon vor - sind auch Storage-Marktführer wie Dell EMC, IBM, HPE, Hitachi Vantara, NetApp und Pure Storage dabei.
Infobox
Was ist NVMe?
Cisco definiert NVMe als «optimierte, hochperformante, skalierbare Schnittstelle, die für die Arbeit mit der aktuellen und der nächsten Generation der NVM-Technologien entwickelt wurde. Die NVMe-Schnittstelle soll Host-Software mit nichtflūchtigem Memory over PCI Express (PCIe) verbinden.»
NVMe wurde von Grund auf neu entwickelt, um folgende Leistungen zu bieten:
- Bis zu 64.000 Queues für Kommandoübertragung und -durchführung. Jeder CPU-Kern kann sein eigenes unabhängiges I/O-Queue-Paar haben, ohne dass es zu Sperren und Zugangskonflikten kommt.
- Jede Queue ist im Vergleich zu SAS oder SATA viel tiefer (bis zu 64.000 Kommandos). Der erweiterte Parallelismus der NVMe-Schnittstelle wurde für sehr schnelle CPU- und Speichersysteme entwickelt.
- Stromlinienförmige und einfache Kommandosätze fūhren zu weniger CPU-Instruktionen für die Durchführung von I/O-Anfragen. Gleichzeitig stellen sie mehr Input/Output Instructions Per Second (IOPS) für CPU-Befehlszyklen und weniger I/O-Latenzen auf der Software-Ebene des Hosts zur Verfügung.
- Dank dieser und mehrerer anderer Verbesserungen auf der Ebene der Storage-I/O hat NVMe laut Cisco dazu beigetragen, die Performance von Flash-Speicher mehrfach zu verbessern – und zwar auf eine Weise, die mit den traditionellen Technologien vieler Betriebssysteme nicht möglich gewesen wäre.
