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? ist die wegweisende Flash-Management-L?sung von Pure, die sich aus Purity-Software und den DirectFlash-Modulen zusammensetzt, beides Komponenten, deren Upgrade unabh?ngig und unterbrechungsfrei durchgef¨¹hrt werden kann.

Hier erfahren Sie, wie die L?sung funktioniert, was sie ausmacht und warum Sie sie brauchen.

Flash Storage?¨C ?bersicht

Der 1980 von Toshiba erfundene Flash-Speicher, der auch als Flash Storage bezeichnet wird, ist eine Art nichtfl¨¹chtiger Speicher (d.?h., er muss nicht ununterbrochen mit Strom versorgt werden), der elektronisch gel?scht und neu programmiert werden kann.

Es gibt im Prinzip zwei Arten von Flash-Speicher (NOR und NAND), die sich je nach verwendetem Logikgatter auf Schaltkreisebene voneinander unterscheiden. Derzeit macht der NAND-Flash-Speicher mehr als 95?% des Flash-Speicher-Marktes aus. Dieser Speichertyp kommt in fast allen nicht integrierten Flash-Ger?ten zum Einsatz.

Innerhalb der NAND-Kategorie gibt unter anderem folgende Speichertypen, die nach Anzahl der pro Speicherzelle gespeicherten Bits klassifiziert werden:

• SLC: Ein (einzelnes) Bit pro Zelle
• MLC: Zwei (oder mehr) Bit pro Zelle
• TLC: Drei Bit pro Zelle
• QLC: Vier Bit pro Zelle

DirectFlash ist der ganzheitliche Ansatz von É«¿Ø´«Ã½ zum Aufbau von All-Flash-Systemen. F¨¹r unsere DirectFlash-Module nutzen wir Raw Flash, statt darauf angewiesen zu sein, Standard-SSDs (Solid State Drives) kaufen zu m¨¹ssen. Dadurch erhalten wir unseren Flash an einer anderen Stelle in der Lieferkette als andere Anbieter von Solid-State-Arrays. DirectFlash bietet jedoch weit mehr Vorteile als nur eine bessere Lieferketten?konomie.

Das macht DirectFlash aus

Andere All-Flash- oder Hybrid-Arrays, die auf handels¨¹blichen Standard-SSDs basieren, kommunizieren mit den Flash-Laufwerken im Prinzip auf dieselbe Weise wie mit einer herk?mmlichen Festplatte: so, als w¨¹rde es sich um eine Gruppe zusammenh?ngender identischer Bl?cke handeln.

Festplatten hatten Spuren und Sektoren, und durch Aneinanderreihen all dieser Sektoren w¨¹rde sich eine lange Reihe von Bl?cken ergeben. Bei SSDs wird diese Geometrie durch die Integration komplexer Systeme zwischen System und Flash nachgebildet, die als FTL (Flash Translation Layer, Flash-?bersetzungsschicht) bezeichnet werden.

Bei DirectFlash wird ein anderer Ansatz verfolgt, bei dem mit dem Flash-Speicher direkt kommuniziert wird. Dadurch l?sst sich die Leistungsf?higkeit von Flash maximieren, eine bessere Performance und Effizienz erzielen und Strom sparen.

DirectFlash bietet insbesondere folgende Vorteile:

• Medienmanagement auf Systemebene statt auf Laufwerksebene. Das bedeutet, die Laufwerke arbeiten direkt mit dem System zusammen und bieten somit f¨¹r das System folgende M?glichkeiten:
  • Intelligentere Entscheidungen im Hinblick auf die Datenplatzierung basierend auf einem breiteren Kontext.
  • ?berblick ¨¹ber die Aktivit?ten des Systems von der Block-, Datei- oder Objektebene bis hin zur einzelnen Flash-Zelle.? ??
  • Maximale Effizienz durch eine f¨¹r die Medien optimierte Anordnung der Daten. So entsteht praktisch kein Schreibfaktor und die Lebensdauer verl?ngert sich.
  • Vermeidung doppelter Arbeit durch die Zentralisierung von Funktionen wie Garbage Collection, Sparing und Wear Leveling.
• Senken der Gesamtkosten f¨¹r Medien durch Wegfall von doppeltem Aufwand und doppelten Prozessen, die in einem herk?mmlichen System bei jedem Laufwerk vorhanden sind. Bei Systemen im Petabyte-Bereich, bei denen SSDs zum Einsatz kommen, k?nnen sich f¨¹r individuelle FTL-Mappings und Metadaten im Laufwerk selbst Terabyte an DRAM befinden?¨C dabei ist der Systemspeicher noch nicht einmal mitgez?hlt. Zudem enth?lt jedes Laufwerk zur ?berversorgung einen eigenen Spare-Bereich, der f¨¹r das Medienmanagement durch die FTL erforderlich ist. Jede dieser Komponenten ist ein zus?tzlicher Kostenfaktor, der mit zunehmender Laufwerksgr??e einen immer gr??eren Anteil an den Gesamtkosten f¨¹r Medien ausmacht. Da sich die Kosten pro Bit bei DRAM in den letzten Jahren nicht verringert haben, wird die effiziente Nutzung von DRAM immer wichtiger.
• H?here Zuverl?ssigkeit der Module dank einer viel geringeren Ausfallrate (3¨C4x) im Vergleich zu SSDs in erster Linie aufgrund einer einfacheren Firmware.

Funktionsweise von SSDs (Solid State Drives)

Ein SSD besteht aus NAND-Flash-Chips, die auch als NAND-Flash-Dies bezeichnet werden, wobei jeder Chip in kleinere Elemente unterteilt ist, die als Bl?cke bezeichnet werden und ihrerseits aus Pages bestehen.

Flash-Bl?cke unterst¨¹tzen kein zuf?lliges ?berschreiben. Sobald eine Page mit Daten beschrieben ist, muss der gesamte Block gel?scht werden, bevor neue Daten geschrieben werden k?nnen. Gleichzeitig sind SSDs so konzipiert, dass sie eine abw?rtskompatible Plattensektor-Schnittstelle unterst¨¹tzen.

Dieser Widerspruch wird durch eine sogenannte Flash-?bersetzungsschicht (FTL, Flash Translation Layer) in der Firmware aufgel?st. In dieser Schicht ist eine virtuelle Plattensektor-Schnittstelle implementiert, die das Schreiben von Daten auf unterschiedliche Flash-Pages unabh?ngig davon erm?glicht, f¨¹r welchen logischen Block die Daten bestimmt sind. Dabei ist die FTL f¨¹r die Zuordnung der Metadaten im eigenen Speicher und Metadaten-Storage verantwortlich.

Da nun jedoch neue Datenversionen auf verschiedene Flash-Pages geschrieben werden, sammeln sich in diesen Bl?cken mit der Zeit Daten an, die als ?M¨¹ll¡° (Garbage) bezeichnet werden k?nnen, da die Daten entweder ¨¹berschrieben oder logisch gel?scht wurden.

Um diese physischen Kapazit?ten zur¨¹ckzugewinnen, werden die noch aktuellen Daten im Rahmen eines ?Garbage-Collection¡°-Prozesses in der Firmware des Speichers verschoben, sodass anschlie?end der gesamte Block, der dann nur noch ?Tombstone¡°-Daten enth?lt, gel?scht werden kann. Damit diese Garbage Collection funktioniert, ben?tigt jedes Laufwerk zus?tzlichen Flash-Speicher, auch als ?Speicher¨¹berversorgung¡° bezeichnet, und jedes Garbage-Collection-Ereignis im Flash-Speicher braucht eine bestimmte Anzahl von P/E-Zyklen (Program/Erase, Programmieren/L?schen). Die Anzahl der physischen Schreibvorg?nge auf dem Laufwerk, die f¨¹r die einzelnen logischen Schreibvorg?nge gebraucht werden, wird als ?Write Amplification¡° oder Schreibfaktor bezeichnet.

?berversorgung und Schreibfaktor f¨¹hren zu vorzeitigem Verschlei? und verk¨¹rzter Lebensdauer des SSD. Dieses Design wirkt sich auch auf die Performance aus, da bei jeder Garbage Collection auf diesen Flash-Dies keine Lese- oder Schreibvorg?nge durchgef¨¹hrt werden k?nnen. Daher sind Schwankungen in der Performance des SSD unvorhersehbar, je nachdem, ob eine Garbage Gollection durchgef¨¹hrt wird.

Erschwerend kommt hinzu, dass SSDs keine M?glichkeit haben, das System, das auf sie zugreift, ¨¹ber diese Garbage-Collection-Aktivit?t zu informieren. Vielmehr muss das SSD die Illusion aufrecht erhalten, dass es wie eine Festplatte funktioniert. Je gr??er die Anzahl der Bit pro Zelle im NAND-Flash, umso gravierender werden diese Performance-Inkonsistenzen, da die P/E-Zyklen immer l?nger dauern, was dazu f¨¹hrt, dass auf die Daten immer l?nger nicht zugegriffen werden kann.

Funktionsweise von DirectFlash

DirectFlash geht beim Management von Flash-Medien einen anderen Weg. Statt dass jedes SSD selbst Wear Leveling und Garbage Collection durchf¨¹hrt und eine ?berversorgung vornimmt, ¨¹bernimmt das Betriebssystem Purity diese Funktionen in der Software auf Array-Ebene. Das bedeutet, dass jedes DirectFlash-Modul einfacher ist als eine herk?mmliche Solid-State-Festplatte, da es nur den Zugriff auf das Medium selbst erm?glichen und Low-Level-Daten und Signalisierungsaufgaben verarbeiten muss.

Dies bringt zahlreiche Vorteile mit sich:

• Da Purity alle laufenden und geplanten Systemaufgaben (wie aktuelle I/O-Aktivit?ten, Datenreduktionsvorg?nge, ausstehende Garbage-Collection-Zyklen) und die Array-Workload sowie den Array-Zustand insgesamt kennt, entscheidet nicht jedes SSD ¨¹ber Datenplatzierung und Medienmanagement im luftleeren Raum. Dadurch kann Purity viel intelligentere Platzierungs- und Planungsentscheidungen treffen, als dies ein einzelnes Laufwerk f¨¹r sich k?nnte.
• Durch intelligentere Entscheidungen bei der Datenplatzierung k?nnen Daten, bei denen eine ?hnliche Lebensdauer erwartet wird, in denselben Bl?cken untergebracht werden, um die F?lle zu minimieren, in denen einige Daten in Bl?cken zu ?Tombstone¡°-Daten werden, w?hrend andere Pages noch verf¨¹gbar sind. Purity wei?, ob bestimmte Pages Teil einer Datei bzw. eines Objekts sind oder vom selben Hostsystem stammen. Und da diese Pages beim L?schen der jeweiligen Datei bzw. des jeweiligen Objekts zu Gruppen zusammengefasst werden, kann der gesamte Block auf einmal freigegeben werden, ohne dass andere Live-Daten neu geschrieben werden und Schreibverst?rkung verursacht wird.
• Da bei DirectFlash-Modulen keine Garbage Collection durchgef¨¹hrt und kein Schreibfaktor verursacht wird, sind diese Module leistungsf?higer und langlebiger als ihre herk?mmlichen Gegenst¨¹cke. Weniger Schreibvorg?nge bedeuten weniger Verschlei? und damit eine l?ngere Lebensdauer des Laufwerks. Weniger Schreibvorg?nge bedeuten auch, dass mehr I/O-Zyklen f¨¹r ?echte¡° Client-I/O zur Verf¨¹gung stehen. Und da Purity die aktuelle I/O-Aktivit?ten kennt und den ?berblick ¨¹ber das gesamte System hat, wird das Betriebssystem nie von einem dieser P/E-Zyklen ¨¹berrascht, die den Zugriff auf Daten blockieren. Im schlimmsten Fall kann Purity diese Daten einfach aus der Parit?t rekonstruieren, anstatt auf das Ende eines P/E-Zyklus zu warten. Dadurch wird die Worst-Case-Latenz unserer Systeme selbst bei Verwendung von QLC-Flash erheblich reduziert.
• Da wir all diese Medienmanagementaufgaben in der Software durchf¨¹hren, k?nnen wir diese Software mit der Zeit immer weiter verbessern. Alle mit dem Internet verbundenen É«¿Ø´«Ã½?-Systeme melden Telemetriedaten zur¨¹ck. Und da wir einen guten ?berblick ¨¹ber den Zustand und die Aktivit?t des zugrunde liegenden Flash-Speichers haben, aggregieren und analysieren wir diese Daten, um die Funktionsf?higkeit unserer Software in der Praxis zu verbessern. Das bedeutet, dass sich die Zuverl?ssigkeit und Performance unserer Systeme mit regelm??igen Softwareupdates verbessern l?sst.
• Und schlie?lich ben?tigen unsere DirectFlash-Module weder komplexe Controller noch gro?e Arbeitsspeicher, um all diese Aufgaben allein zu bew?ltigen, da diese Aktivit?ten auf Array-Ebene in Software durchgef¨¹hrt werden. Somit sind unsere Module einfacher und damit zuverl?ssiger und zudem auch effizienter. Angesichts der Fortschritte in der NAND-Flash-Fertigungstechnologie k?nnen wir die Gr??e unserer Speicher zudem skalieren, ohne dass sich dadurch die Komplexit?t oder Kosten f¨¹r die Speicherlaufwerke erh?hen.

Das bedeutet f¨¹r unsere Kunden, dass die Systeme mehr Performance, mehr Konsistenz und mehr Zuverl?ssigkeit bieten und zudem noch langlebiger sind als andere All-Flash- oder Hybrid-Systeme mit SSDs.

Pure wurde mit der ?berzeugung gegr¨¹ndet, dass die Zukunft des Rechenzentrums ganz im Zeichen von Flash steht?¨C und wir haben unsere DirectFlash-Technologie entwickelt, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen. Wir sind der ?berzeugung, dass sich All-Flash-Systeme am besten entwickeln lassen, wenn sie gleich von Anfang an f¨¹r All-Flash entwickelt werden. Das bedeutet, dass die Teile des Systems, die auf veralteten Schnittstellen und Paradigmen beruhen, ersetzt werden, sodass sich die Technologie voll entfalten kann.