Warum Flash im Jahr 2016 das Rechenzentrum erobern wird

Flash wird preislich immer attraktiver. Wer den Einsatz von Enterprise-Flash im Rechenzentrum inklusive Betriebskosten durchrechnet, erkennt bereits heute, dass bei den Gesamtkosten Flash günstiger sein kann als High-End-Festplatten.

CIOs sollten daher prüfen, welche Workloads und Anwendungen sich auf Flash umstellen lassen und die verfügbaren Technologien dahingehend evaluieren, welche Aufgaben sich mit welchen Lösungen bestmöglich erfüllen lassen.

Flash ist nicht gleich Flash

Mit all den Chip-Technologien und Schnittstellen fällt es mitunter nicht leicht, immer auf dem aktuellen Stand zu bleiben. Ständig kommen neue Spezifikationen und Produkte rund um Flash-Speicher auf den Markt. Heute finden sich in SSD-Laufwerken NAND-Speicher mit unterschiedlichen Chiparchitekturen.

Flash mit SLC (Single-Level Cell) steht für die Verwendung von nur einer Speicherzelle, die auch nur ein Bit speichert. SLC ist die schnellste, langlebigste und teuerste Zelle, die bis zu 100 000 Schreibzyklen übersteht.

In Consumer-SSDs kommen häufig MLC-Chips (Multi-Level Cell) zum Einsatz. Diese speichern zwei Bits in einer Zelle und bieten eine höhere Speicherdichte. Im Vergleich zu SLC arbeitet MLC beim ­Schreiben langsamer, ist in der Produktion preisgünstiger und verträgt rund 3000 Schreibvorgänge.

Mit EMLC (Enterprise MLC) haben die Hersteller einen Kompromiss aus MLC und SLC geschaffen. Im Vordergrund standen eine erhöhte Lebensdauer und die Verwendung von Flash in Rechenzentren.

Da EMLC von den vorhandenen vier Bits eines MLC-Speichers nur zwei Bits verwendet, steigt die Lebensdauer erheblich. In Verbindung mit intelligenten Controllern geben Hersteller für EMLC eine Lebensdauer von 20 000 bis 30 000 Schreibzyklen an.

Eine weitere Variante sind die TLC-Zellen (Triple-Level Cell), die drei Bits pro Speicherzelle aufnehmen und für rund 1000 Schreibzyklen ausgelegt sind. Was die Leistungsfähigkeit angeht, sind diese etwas langsamer als MLC-Speicher und fallen preislich ­günstiger aus.

3-D-Fertigungsverfahren

Die Entwicklung der Flash-Technologie geht beständig weiter: Für das Jahr 2018 wird ein SSD-Laufwerk mit bis zu 128 TByte, basierend auf QLC-Zellen (Quad Level Cells) prognostiziert.

Ein erster QLC-Speicher soll bereits in ein bis zwei Jahren verfügbar sein und wird bis zu vier Bits pro Speicherzelle aufnehmen. Hersteller nennen eine Lebensdauer von rund 500 Schreibzyklen pro Zelle.

Mit QLC erhöht sich die Speicherdichte von Flash bei voraussichtlich moderaten Herstellungskosten. Dies kann ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu den aufwändigen 3-D-Produktionsverfahren der neuen Generation von 3-D-Flash-Speichern sein.

Schnittstellen und Protokolle

Die hohen Übertragungsraten von Flash-Speichern machen die Verwendung neuer Schnittstellen und Protokolle notwendig. Mit der herkömmlichen SATA-Anschlusstechnik schaffen Consumer-SSDs bis zu 550 MByte/sec.

Mit einer SAS-Schnittstelle (Serial Attached SCSI) ist schon eine Übertragungsrate von rund 1,2 Gigabyte pro Sekunde machbar. Moderne SSD-Laufwerke liefern aber schon bis zu 2,5 Gigabyte pro Sekunde, daher werden im High-End-Bereich die Laufwerke über PCI-Express (PCIe) angeschlossen. In der Variante PCIe 3.0 sind bis zu 2,7 Gigabyte pro Sekunde möglich.

Ergänzend hierzu wird ein Flash-optimiertes Übertragungsprotokoll wie NVMe (Non-Volatile Memory Express) benötigt. Dies ist notwendig, da die Laufwerkeigenschaften von Flash komplett anders ausfallen als bei einer Festplatte.

Mit dem NVMe-Protokoll sind beispielsweise über 65 000 parallele Zugriffe auf ein Flash-Laufwerk möglich. Damit lassen sich im Rechenzentrumsbetrieb die Eigenschaften des Flash-Speichers optimal nutzen.

Kosten im Rechenzentrum reduzieren?

Für den IT-Verantwortlichen ist es wichtig, die jeweils benötigte Technologie entsprechend den Anforderungen auszuwählen. Nur so lassen sich die Vorteile von Flash bestmöglich nutzen. Ergänzend hierzu ist jedoch auch eine wirtschaftliche Kalkulation notwendig. Verschiedene Parameter entscheiden darüber, ob sich eine Flash-Investition rechnet.

Wer mit All-Flash bei Datenbanktransaktionen eine höhere Leistung erreicht, kann bestehende Server konsolidieren und damit CPU-bezogene Softwarelizenzen reduzieren. Beispielsweise werden bei SQL-Datenbanken die Lizenzen häufig pro Prozessorkern berechnet.

Mit Abschalten von nicht mehr benötigten Servern fallen CPU-Kerne aus der Lizenzierung. Zusätzlich verringern sich die Energiekosten für Stromversorgung und Klimatisierung.

Bei der Investition sollte man jedoch nicht nur auf den Preis pro Gigabyte schauen. Bei dieser Betrachtung haben die Festplatten gegenüber Flash noch die Nase vorn, auch wenn sich die Preise kontinuierlich annähern.

Allerdings ist bei Festplatten kaum noch Potenzial für Kostensenkungen vorhanden. High-End-Festplatten sind nämlich richtig kompliziert geworden: Bis zu sieben Platten pro Laufwerk und eine Helium-Füllung bei hochkapazitiven Modellen lassen kaum noch Raum für Preissenkungen.

Dagegen sorgen bei Flash die Skaleneffekte der Massenfertigung und neue Produktionsverfahren dafür, dass die Speicherdichte steigt und Preise kontinuierlich fallen. Experten gehen davon aus, dass im Laufe des Jahres 2016, aber spätestens 2017, Enterprise-Flash die reinen Anschaffungskosten einer High-End-Festplatte schlägt.

Fazit

Erst in Kombination mit innovativen Software-Features entwickeln Unternehmen mit der Flash-Technologie eine Infrastruktur, die flexibel skalierbar ist, höchste Performance-Anforderungen unterstützt und wirtschaftliche Vorteile bringt.

Die Integrationsfähigkeit von Flash-Storage mit vorhandenen und zukünftigen Storage-Infrastrukturen sollte höchste Priorität haben, um die laufenden IT-Kosten zu senken. Gleichzeitig muss die Integration mit IT-Ressourcen aus der Cloud möglich sein, um das Hybrid-Cloud-Betreibermodell zu unterstützen.

Somit ist es möglich, durch Flash höchste Speicher-Performance im eigenen Rechenzentrum zu erreichen und gleichzeitig die Skalierbarkeit und Kostenvorteile der Cloud zu nutzen.

Über den Autor:
Christoph Schnidrig ist Manager Systems Engineering bei Netapp Schweiz