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est une solution de gestion du stockage flash r¨¦volutionnaire d¨¦velopp¨¦e par Pure, qui int¨¨gre ¨¤ la fois notre logiciel Purity et nos modules DirectFlash, et qui offre la possibilit¨¦ de mettre ¨¤ niveau l¡¯ensemble de ses composants de mani¨¨re ind¨¦pendante et sans la moindre interruption.

Dans cet article, nous allons voir comment fonctionne cette solution et ce qui la distingue des offres concurrentes au point d¡¯en faire une technologie incontournable.

Qu¡¯est-ce que le stockage flash??

La m¨¦moire flash (¨¦galement appel¨¦e ??stockage flash??) a ¨¦t¨¦ invent¨¦e en?1980 par Toshiba. Il s¡¯agit d¡¯un type de m¨¦moire non volatile (qui n¡¯a pas besoin d¡¯¨ºtre aliment¨¦e en continu) qu¡¯il est possible d¡¯effacer et de reprogrammer ¨¦lectroniquement.

On distingue deux principaux types de m¨¦moires flash, NOR et NAND, dont la diff¨¦rence se situe au niveau du circuit en fonction de la porte logique utilis¨¦e. La technologie flash NAND repr¨¦sente aujourd¡¯hui plus de 95?% du march¨¦ des m¨¦moires flash?; elle est utilis¨¦e dans la majorit¨¦ des appareils flash non int¨¦gr¨¦s.

Cette cat¨¦gorie englobe diff¨¦rents types de m¨¦moires, lesquels sont class¨¦s en fonction du nombre de bits stock¨¦s par cellule de m¨¦moire?:

• SLC?: un seul bit par cellule
• MLC?: deux bits par cellule
• TLC?: trois bits par cellule
• QLC?: quatre bits par cellule

DirectFlash d¨¦signe l¡¯approche globale adopt¨¦e par É«¿Ø´«Ã½ pour le d¨¦veloppement de syst¨¨mes 100?% flash. Plut?t que d¡¯acheter des disques de stockage flash (SSD) dans le commerce, nous utilisons le stockage ??brut?? pour la conception de nos modules DirectFlash. Cette approche nous permet de nous procurer du stockage flash ¨¤ un niveau de la cha?ne d¡¯approvisionnement diff¨¦rent de celui habituellement utilis¨¦ par les autres fournisseurs de baies de stockage flash. Mais la technologie DirectFlash n¡¯offre pas simplement des avantages ¨¦conomiques assur¨¦s par une meilleure cha?ne d¡¯approvisionnement.

En quoi DirectFlash se distingue des solutions concurrentes

Toutes les autres baies 100?% flash ou hybrides qui s¡¯appuient sur des SSD standard disponibles dans le commerce communiquent avec leurs disques flash sensiblement de la m¨ºme mani¨¨re qu¡¯avec un disque dur traditionnel?: en les consid¨¦rant comme un ensemble contigu de blocs identiques.

Les disques durs comportent des pistes et des secteurs qui, s¡¯ils sont mis bout ¨¤ bout, finissent par donner une longue liste de blocs. Les SSD s¡¯inspirent de cette g¨¦om¨¦trie, mais en int¨¦grant des syst¨¨mes complexes entre le syst¨¨me et le stockage flash, qui forment ce que l¡¯on appelle une couche de traduction flash (FTL, Flash Translation Layer).

DirectFlash repose sur une approche diff¨¦rente, qui consiste ¨¤ communiquer directement avec la m¨¦moire flash de mani¨¨re ¨¤ optimiser les capacit¨¦s du stockage flash, les performances, la consommation d¡¯¨¦nergie et l¡¯efficacit¨¦ globale.

DirectFlash pr¨¦sente de nombreux atouts?:

• Administration des supports au niveau du syst¨¨me, et non au niveau du disque. Les disques fonctionnent de concert avec le syst¨¨me proprement dit, ce qui permet au syst¨¨me?:
  • de placer les donn¨¦es de mani¨¨re intelligente en fonction du contexte global?;
  • de comprendre l¡¯activit¨¦ du syst¨¨me au niveau du bloc, du fichier ou de l¡¯objet, et cela jusqu¡¯¨¤ une cellule flash sp¨¦cifique?;? ??
  • de gagner en efficacit¨¦ en optimisant la disposition des donn¨¦es en fonction du support, pour ¨¦viter l¡¯amplification en ¨¦criture et allonger l¡¯endurance?;
  • d¡¯¨¦viter les t?ches redondantes en centralisant certaines fonctions comme la collecte de d¨¦chets, la gestion des r¨¦serves et le contr?le de l¡¯usure.
• R¨¦duction du co?t global des supports, en supprimant les efforts et processus redondants habituellement observ¨¦s au niveau de chaque disque d¡¯un syst¨¨me traditionnel. Les syst¨¨mes qui utilisent des SSD et qui prennent en charge plusieurs p¨¦taoctets de donn¨¦es peuvent contenir des t¨¦raoctets de DRAM dans les disques eux-m¨ºmes (sans m¨ºme tenir compte de la m¨¦moire syst¨¨me) pour g¨¦rer leurs mappages FTL et leurs m¨¦tadonn¨¦es. Chaque disque contient ¨¦galement son propre espace de r¨¦serve surallou¨¦ pour permettre ¨¤ la FTL de g¨¦rer les supports. Chacun de ces composants repr¨¦sente un certain co?t qui, ¨¤ mesure que la taille du disque augmente, p¨¨se de plus en plus lourdement sur le co?t global du support. Le co?t par bit de la DRAM ne s¡¯est pas am¨¦lior¨¦ ces derni¨¨res ann¨¦es, c¡¯est pourquoi il devient essentiel d¡¯utiliser efficacement ce type de m¨¦moire.
• Am¨¦lioration de la fiabilit¨¦ des modules gr?ce ¨¤ un taux de d¨¦faillance sensiblement inf¨¦rieur ¨¤ celui des SSD (3 ¨¤ 4?fois moins), essentiellement garanti par une ex¨¦cution simplifi¨¦e du firmware.

Principes de fonctionnement des disques de stockage flash

Un SSD se compose de puces flash NAND, ¨¦galement appel¨¦es matrices de m¨¦moire flash NAND, dans lesquelles chaque matrice est divis¨¦e en petits ¨¦l¨¦ments appel¨¦s ??blocs??, qui sont eux-m¨ºmes constitu¨¦s de pages.

Les blocs de m¨¦moire flash ne prennent toutefois pas en charge les ¨¦crasements al¨¦atoires. Une fois que des donn¨¦es sont ¨¦crites sur une page, l¡¯ensemble du bloc doit ¨ºtre effac¨¦ pour pouvoir y r¨¦¨¦crire de nouvelles donn¨¦es. Dans le m¨ºme temps, chaque SSD est con?u pour prendre en charge une interface de secteurs de disques r¨¦trocompatible.

Pour r¨¦soudre cette contradiction, une ??couche de traduction flash?? (FTL) est int¨¦gr¨¦e au niveau du firmware pour impl¨¦menter une interface de secteurs de disques virtuelle, qui permet d¡¯¨¦crire des donn¨¦es sur diff¨¦rentes pages de m¨¦moire flash, quel que soit le bloc logique auquel ¨¦taient destin¨¦es les donn¨¦es. La FTL assure le suivi de toutes ces m¨¦tadonn¨¦es de mappage dans sa propre m¨¦moire et dans son propre espace de stockage de m¨¦tadonn¨¦es.

Mais comme de nouvelles versions des donn¨¦es sont ¨¦crites sur des pages de m¨¦moire flash diff¨¦rentes, de nombreuses donn¨¦es finissent par s¡¯accumuler dans les blocs. Ces donn¨¦es peuvent ¨ºtre assimil¨¦es ¨¤ des ??d¨¦chets??, car elles n¡¯ont ¨¦t¨¦ ni ¨¦cras¨¦es, ni supprim¨¦es logiquement.

Pour r¨¦cup¨¦rer cette capacit¨¦ physique, on utilise un processus de ??collecte de d¨¦chets?? au niveau du firmware de disque. Ce processus consiste ¨¤ prendre les donn¨¦es valides et ¨¤ les d¨¦placer vers un nouvel emplacement, de mani¨¨re ¨¤ pouvoir effacer l¡¯int¨¦gralit¨¦ du bloc qui contient les donn¨¦es ??tombstone?? (c¡¯est-¨¤-dire les donn¨¦es r¨¦siduelles). Pour que ce collecteur de d¨¦chets puisse fonctionner, chaque disque a besoin d¡¯une m¨¦moire flash suppl¨¦mentaire, appel¨¦e ??espace d¡¯overprovisioning??, et chaque ¨¦v¨¦nement de collecte de d¨¦chets consomme un nombre fini de cycles de programmation/d¡¯effacement flash. On appelle ??amplification en ¨¦criture?? la quantit¨¦ d¡¯¨¦critures physiques sur le disque que consomme chaque ¨¦criture logique.

L¡¯overprovisioning et l¡¯amplification en ¨¦criture entra?nent une usure pr¨¦matur¨¦e du SSD et r¨¦duisent sa dur¨¦e de vie. Une telle conception nuit ¨¦galement aux performances car chaque fois qu¡¯une matrice de m¨¦moire flash lance un processus de collecte de d¨¦chets, aucune donn¨¦e de cette matrice n¡¯est disponible en lecture ou en ¨¦criture. Les performances du SSD fluctuent donc de mani¨¨re impr¨¦visible selon que le collecteur de d¨¦chets est plus ou moins actif.

Pire encore, les SSD n¡¯ont aucun moyen de communiquer cette activit¨¦ de collecte de d¨¦chets au syst¨¨me qui y acc¨¨de. Ils n¡¯ont gu¨¨re d¡¯autre choix que de maintenir l¡¯illusion de se comporter ¨¤ la mani¨¨re d¡¯un disque dur. Et ces variations de performances ne font que s¡¯accentuer ¨¤ mesure que le nombre de bits par cellule augmente dans la m¨¦moire flash NAND, puisque les cycles de programmation/d¡¯effacement s¡¯allongent, entra?nant de plus longues p¨¦riodes d¡¯inaccessibilit¨¦ des donn¨¦es.

Principes de fonctionnement de la technologie DirectFlash

DirectFlash adopte une approche diff¨¦rente de la gestion des supports de stockage flash. Plut?t que de confier ¨¤ chaque SSD la charge d¡¯effectuer ses propres op¨¦rations de contr?le de l¡¯usure, de collecte de d¨¦chets et d¡¯overprovisioning, le syst¨¨me d¡¯exploitation?Purity effectue ces fonctions dans un logiciel install¨¦ au niveau de la baie. Chaque module DirectFlash offre donc davantage de simplicit¨¦ qu¡¯un disque flash traditionnel car il lui suffit de fournir un acc¨¨s au support lui-m¨ºme et de g¨¦rer les donn¨¦es et t?ches de signalisation de niveau secondaire.

Les avantages d¡¯une telle approche sont nombreux?:

• Plut?t que de laisser chaque SSD d¨¦cider du placement des donn¨¦es et de l¡¯administration des supports en vase clos, Purity dispose d¡¯une visibilit¨¦ sur toutes les t?ches syst¨¨me en cours et planifi¨¦es, par exemple l¡¯activit¨¦ d¡¯E/S actuelle, les op¨¦rations de r¨¦duction de donn¨¦es, les cycles de collecte de d¨¦chets en attente, ou encore le niveau global de charge de travail et d¡¯int¨¦grit¨¦ de la baie. Purity est ainsi en mesure de prendre des d¨¦cisions de placement et de planification de fa?on bien plus intelligente que ne pourrait le faire un disque individuel.
• Ces meilleures d¨¦cisions en mati¨¨re de placement des donn¨¦es permettent de colocaliser sur les m¨ºmes blocs les donn¨¦es ayant une dur¨¦e de vie estim¨¦e similaire, afin de limiter le volume de donn¨¦es tombstone dans des blocs qui contiennent encore des pages valides. Purity est capable de d¨¦terminer si certaines pages font partie du m¨ºme fichier ou du m¨ºme objet, ou si elles proviennent du m¨ºme syst¨¨me h?te. En regroupant ces pages dans des blocs similaires, l¡¯int¨¦gralit¨¦ du bloc peut ¨ºtre lib¨¦r¨¦e d¨¨s que le fichier ou l¡¯objet en question est supprim¨¦, sans avoir ¨¤ r¨¦¨¦crire d¡¯autres donn¨¦es actives ni entra?ner d¡¯amplification en ¨¦criture.
• En ¨¦vitant la collecte de d¨¦chets et l¡¯amplification en ¨¦criture, les modules DirectFlash assurent des performances et une long¨¦vit¨¦ sensiblement sup¨¦rieures aux solutions concurrentes disponibles dans le commerce. Le fait de r¨¦duire les op¨¦rations d¡¯¨¦criture permet de limiter l¡¯usure et donc d¡¯allonger la dur¨¦e de vie des disques. Cela permet ¨¦galement d¡¯augmenter le nombre de cycles d¡¯E/S disponibles pour traiter les E/S client ??r¨¦elles??. De plus, ¨¦tant donn¨¦ que Purity conna?t l¡¯activit¨¦ d¡¯E/S actuelle et dispose d¡¯une visibilit¨¦ sur l¡¯ensemble du syst¨¨me, aucun cycle de programmation/d¡¯effacement ne peut bloquer l¡¯acc¨¨s aux donn¨¦es de mani¨¨re inattendue. Dans le pire des cas, Purity peut simplement reconstruire les donn¨¦es par parit¨¦, sans avoir ¨¤ atteindre la fin du cycle, ce qui r¨¦duit sensiblement la latence de nos syst¨¨mes dans les conditions les plus d¨¦favorables, y compris avec une m¨¦moire flash QLC.
• Et comme toutes ces t?ches d¡¯administration des supports sont ex¨¦cut¨¦es par un logiciel, elles peuvent ¨ºtre optimis¨¦es au fil du temps gr?ce ¨¤ des am¨¦liorations logicielles. Tous les syst¨¨mes É«¿Ø´«Ã½? connect¨¦s ¨¤ Internet utilisent une fonction ??phone-home?? pour s¨¦curiser les donn¨¦es de t¨¦l¨¦m¨¦trie. Par ailleurs, nos connaissances approfondies de l¡¯int¨¦grit¨¦ et de l¡¯activit¨¦ de la m¨¦moire flash sous-jacente nous permettent d¡¯agr¨¦ger et d¡¯analyser ces donn¨¦es afin d¡¯am¨¦liorer le fonctionnement de notre logiciel en situation r¨¦elle. Autrement dit, la fiabilit¨¦ et les performances de nos syst¨¨mes s¡¯am¨¦liorent au fil de nos mises ¨¤ jour logicielles.
• Pour finir, ¨¦tant donn¨¦ que toutes ces activit¨¦s interviennent au niveau de la baie dans le logiciel, nos modules DirectFlash sont capables de les g¨¦rer facilement sans avoir ¨¤ s¡¯appuyer sur des contr?leurs complexes et sur de grandes quantit¨¦s de RAM. Au-del¨¤ de leur efficacit¨¦ accrue, nos modules sont donc plus simples et plus fiables. Les avanc¨¦es technologiques exploit¨¦es dans la fabrication des m¨¦moires flash NAND nous permettent ¨¦galement de faire ¨¦voluer la taille de nos disques rapidement, sans les rendre plus complexes ou on¨¦reux.

Du point de vue du client, cet avantage se traduit par des syst¨¨mes plus performants et coh¨¦rents, qui offrent une fiabilit¨¦ et une long¨¦vit¨¦ incomparables ¨¤ celles des autres syst¨¨mes 100?% flash ou hybrides con?us autour de la technologie SSD.

Toute la philosophie de Pure repose sur la conviction que la technologie 100?% flash est l¡¯avenir du datacenter, et c¡¯est dans cette logique que nous avons d¨¦velopp¨¦ notre technologie DirectFlash. Nous sommes convaincus que le meilleur moyen de concevoir des syst¨¨mes 100?% flash consiste ¨¤ d¨¦velopper int¨¦gralement le syst¨¨me autour de cette technologie, ce qui suppose de renoncer aux composants con?us autour d¡¯interfaces et de mod¨¨les traditionnels pour r¨¦v¨¦ler pleinement le potentiel de cette technologie innovante.