Mission Peak: Highspeed-Storage-Server für Highend-Anwendungen

Der Bedarf nach schnellen Storage-Systemen nimmt in Zeiten von Künstlicher Intelligenz & Co. immer mehr zu, und viele aktuelle Speicherlösungen sind den Anforderungen einfach nicht gewachsen. Diesem Umstand will ein Konsortium rund um die Firma Samsung Einhalt gebieten, indem es ein intelligentes Storage-Server-Konzept initiiert hat. Mission Peak verspricht mehr IOPS und geringere Latenzzeiten.

Proof-of-Concept: High-Performance mit NVMe-oF und hoher Datendichte (Foto: Samsung).Schenkt man aktuellen Studien Glauben, werden derzeit 14 EByte an Daten generiert, und das jeden einzelnen Tag. Daraus ergibt sich am Ende dieses Jahres eine gespeicherte Datenmenge, die sich auf unglaubliche 20 ZByte beläuft, also 1.000 mal 20 EByte. Und sollte diese Entwicklung in diesem Tempo voranschreiten, haben wir bis zum Jahr 2025 alle zusammen etwa 165 ZByte an Daten erzeugt. Und daran gibt es momentan keinen Grund zu zweifeln.

Die Konsequenzen, die sich daraus für die benötigten Datenspeicher und Datenlösungen ergeben, kann man sich leicht ausmalen. Hierbei stehen vor allem zwei wesentliche Aspekte im Vordergrund: Zum einen muss die erforderliche Datenkapazität deutlich erhöht werden. Das bedeutet, dass die maximale Dichte an speicherbaren Daten auf einem einzigen Datenträger maßgeblich verbessert wird. Nur wie erreicht man mehr Speicherplatz innerhalb einer Standard-Compute-Einheit, die normalerweise in einer Höheneinheit von 1U untergebracht wird?

Zum anderen genügt die aktuelle Leistungsfähigkeit vieler Speicherlösungen nicht den enormen Anforderungen, mit denen sich vor allem die Betreiber von Rechenzentren zunehmend konfrontiert sehen. Gerade bei den enormen Datentransferraten, die beispielsweise bei Datenbank-Transaktionen zustande kommen, hinken viele Speichersysteme deutlich hinterher. Das liegt vor allem an der nicht mehr zeitgemäßen Technik, die nach wie vor in vielen Storage-Systemen zum Einsatz kommt – selbst in hochperformanten, unternehmenskritischen IT-Umgebungen.

Mission Peak soll Latenzzeiten und Speicherdichte verbessern

Basierend auf diesen beiden Annahmen, dass die aktuelle Speicherdichte einerseits und die Verbindungsgeschwindigkeiten zwischen Compute- und Speichereinheit andererseits schon länger nicht mehr ausreichend sind, hat sich ein Konsortium gegründet, das aus den Unternehmen AIC, E8 Storage, Mellanox, Memorysolution und Samsung besteht. Dieser Zusammenschluss – unter der maßgeblichen Unterstützung der Firma E-Shelter – hat es sich zum Ziel gesetzt, das beschriebene Datendilemma beheben zu wollen. Das Projekt, das sich dahinter befindet, nennt sich Mission Peak und stellt einen neuartigen Storage-Server dar, der all die Leistungsdaten in sich vereint, die für die Verarbeitung und Speicherung großer Datenmengen erforderlich ist.

Mission Peak in Zahlen und Fakten

Der nur 1U flache Mission-Peak-Server soll im NVMe-oF-Design bis zu 550 TByte skalierbare Hochgeschwindigkeitsleistung liefern (Grafik: Samsung).Das Referenzdesign von Mission Peak sieht einen Storage-Server mit einer äußerst schlanken Bauhöhe von einer Höheneinheit (1U) vor, in dem sich ein AIC-Motherboard vom Typ Lynx befindet. Darauf finden zwei Intel Xeon-Prozessoren der Marke Skylake Platz, die sich in einem LGA-3647-CPU-Sockel befinden.

Mission-Peak-basierte Storage-Server lassen sich in Sachen Arbeitsspeicher mit bis zu 24 DDR4-kompatiblen DIMM-Riegeln bestücken, in punkto Datenspeicher kommen bis zu 36 sogenannte NF1-SSD-Module zum Einsatz, die eine Gesamtkapazität von 550 TByte zur Verfügung stellen können – und das alles vereint in einer einzigen, äußerst platzsparenden Höheneinheit. Die hohe Speicherdichte der NF1-SSD-Komponenten halbiert in etwa den Platzbedarf aktueller Speichersysteme, die für denselben Datenspeicher zwei Höheneinheiten benötigen.

Daneben stehen für die Netzwerkverbindungen zwei Kartenslots vom Typ PCI-Express der dritten Generation sowie zwei OCP-Karten vom Typ Mezzanine 2.0 (ebenfalls PCIe Gen3) zur Verfügung. Damit lassen sich zwei unterschiedliche Konfigurationen pro Compute-Einheit realisieren: Entweder eine 100-Gbit-PCIe- und eine 50-Gbit-Netzwerkkarte vom Typ OCP Mezzanine oder eine 50-Gbit-PCIe- plus eine 100-Gbit-OCP-Netzwerkkomponente. Beide Konfigurationen kommunizieren mit jeweils 18 NF1-SSD-Speicherbausteinen.

Das Besondere an diesem Referenzsystem sind zweierlei Dinge: Das neuartige SSD-Moduldesign NF1 sowie die Hochgeschwindigkeitsanbindung zwischen den SSD-Komponenten und der Compute-Einheit des Storage-Servers. Hierfür setzten die Entwickler von Mission Peak von Anfang an auf den SSD-kompatiblen NVMe-Standard sowie auf weitere aktuelle Techniken wie NVMe-oF (NVMe over Fabric).

NF1-SSDs: platzsparende Speicherriesen

Die mögliche Bandbreite von PCIe-SSDs übersteigt die von SAS/SATA-SSDs um ein Vielfaches (Grafik: Samsung).Verglichen mit einer herkömmlichen 2,5-Zoll-SSD-Komponente weisen die NF1-kompatiblen Flash-Speicherriegel diverse Vorteile auf, die unter der Ägide von Samsung für das Referenzdesign Mission Peak entwickelt wurden. Dazu gehören unter anderem:

• Die äußerst geringe Bauhöhe, die nur unwesentlich über der eines M.2-Speicherriegels liegt. Damit lassen sich bis zu 36 dieser SSD-Komponenten in einem Gehäuse von einer Bauhöhe (1U) unterbringen. Dies hat zur Folge, dass NF1-Speicherriegel im Vergleich zu herkömmlichen SSD-Speichereinheiten im 2,5-Zoll-Format lediglich 70 Prozent des benötigten Platzes benötigen.
• Die Speicherkapazität eines NF1-SSD-Riegels übertrumpft M.2-SSD-Komponenten um den Faktor 2, kann also doppelt so viele Daten speichern wie eine M.2-SSD.
• NF1-SSD-Speicherkomponenten entsprechen den neuesten Standards, sind also hot-plug-tauglich und können demzufolge im laufenden Serverbetrieb ausgetauscht werden. Zudem lassen sich die Speicherbausteine »von vorne« einbauen, was ein schnelleres Bereitstellen neuer Speicherkomponenten erlaubt.

Mission Peak setzt auf NVMe, NVMe-oF und mehr

Neben den hardware-technischen Besonderheiten von Mission Peak kommt für die deutlich verbesserten Leistungsdaten dieser Referenzarchitektur eine Software zum Einsatz, die aus der zugrunde liegenden NVMe-Schnittstellentechnik wesentlich mehr Leistung herausholt als bisherige Ansätze. Hierfür hat das israelische IT-Unternehmen E8 Storage eine Software entwickelt, mit der sich die Verbindungen zwischen den Compute- und Speichereinheiten erheblich beschleunigen lassen. Dies führt zu I/O-Befehlen pro Zeiteinheit, die um ein Mehrfaches über denen vergleichbarer Storage-Systeme liegen. Die Rede ist von bis zu zehn Millionen IOPS, also zehn Millionen I/O-Operationen pro Sekunde. Das bedeutet eine 20-fache Beschleunigung von datenintensiven Transaktionen innerhalb und außerhalb eines Rechnerverbunds gegenüber herkömmlichen All-Flash-Systemen.

Ein weiterer Unterschied von Mission Peak gegenüber bekannten Storage-Systemen, selbst wenn diese bereits auf NVMe setzen: Mithilfe der E8-Storage-Software lassen sich komplexe Storage-Cluster-Systeme aufbauen, und das ohne nennenswerte Verluste in den Disziplinen Datentransferraten und Latenzzeiten. Hierfür bedient sich die E8-Software einer Technik, die sich »NVMe over Fabric« (NVMe-oF) nennt und genau das bietet: Die Anbindung mehrerer Storage-Einheiten mittels NVMe, und das über unterschiedlichste Netzwerktechniken wie Fibre-Channel, Ethernet und Infiniband hinweg.

Das Besondere an NVMe-oF sind die äußerst geringen Latenzzeiten, und das völlig unabhängig davon, ob sich die NVMe-basierten SSD-Speicherkomponente in einem lokalen oder einem entfernten Storage-Server befindet. Das erlaubt also Zugriffszeiten, mit denen superschnelle Storage-Systeme möglich sind.

Darüber hinaus erhöht der Einsatz der E8-Software den Nutzungsgrad des vorhandenen Speichers deutlich: Da sich der gesamte Storage-Pool wie ein lokales Speichersystem verhält und nutzen lässt, kommen Mission-Peak-basierte Storage-Systeme auf einen Nutzungsgrad von fast 90 Prozent. Im Vergleich dazu werden rein lokal genutzte SSD-Speicher gerade einmal zu einem Drittel ausgelastet.

NVMe-oF verringert Latenzen und CPU-Last

Darüber hinaus beherrscht NVMe-oF das RDMA-Protokoll. Damit lassen sich Daten direkt zwischen einzelnen Speichereinheiten austauschen, was zu höheren Bandbreiten und geringeren Latenzzeiten führt. Das ist vor allem für Betreiber von Rechenzentren sehr interessant, in denen große Datenbanken oft über mehrere Storage-Server hinweg verteilt sind. Neben dem beschleunigten Datenaustausch sorgt RDMA für eine geringere Prozessorlast, was entweder mehr CPU-Leistung für andere Anwendungen erlaubt oder die Anschaffung eines weniger leistungsfähigen Rechners ermöglicht.

So funktioniert die NVMe-Schnittstellentechnik

So funktioniert die NVMe-Schnittstellentechnik (Grafik: Samsung)

Im Vergleich zu den traditionellen Schnittstellen wie SATA (Serial-ATA) oder Serial-Attached SCSI (SAS) handelt es sich bei NVMe (Non-Volatile Memory Express) streng genommen um eine Art PCIe-Schnittstellentreiber, der die optimale Leistung aus SSD-Komponenten herauskitzelt. Dies hat primär mit der direkten Anbindung der Speicherkomponenten an den Prozessor zu tun, was vor allem die Latenzzeiten wesentlich reduziert, und zwar um ein Drittel im Vergleich zu SATA-Verbindungen.

Darüber hinaus bieten NVMe-basierte Speicheranbindungen deutlich mehr Bandbreite als SAS- bzw. SATA-Verbindungen. So sieht zum einen der zugrunde liegende PCI Express-Standard 8 Gbit/s pro Kanal vor, womit Standard-SSDs auf 32 Gbit/s kommen (4 Kanäle mal 8 Gbit/s). Zum anderen unterstützt die NVMe-Technik bis zu 64.000 I/O-Warteschlangen, die ihrerseits bis zu 64.000 I/O-Befehle verarbeiten können. Damit sind NVMe-SSD-Komponenten in der Lage, vier Milliarden Befehle pro Sekunde ausführen.

Mission Peak im Feldtest echten Anforderungen unterziehen

Thomas Arenz, SamsungDamit Mission Peak kein reines Reißbrettprojekt bleibt, besteht für interessierte Unternehmen der Zugriff auf solch eine Hochleistungs-Storage-Umgebung mithilfe des Konsortiumpartners E-Shelter, der eigens hierfür eingerichtete Cloud-Testumgebungen betreibt. Damit können IT-Manager und Interessierte Mission-Peak-Storage-Server per Remote-Zugriff für eigene Testzwecke nutzen, um auf diesem Weg die technischen Möglichkeiten dieser neuen Speicherlösung ausgiebig zu evaluieren.

»Misson Peak soll und wird das Datendilemma der Zukunft lösen«, sagt Thomas Arenz, Director Marcom + Strategic Business Development bei Samsung Semiconductor Europe, »indem die Speicherdichte verdoppelt wird, die IOPS-Raten um den Faktor 20 erhöht und die Latenzzeiten auf ein äußerst niedriges Niveau reduziert werden – und dies über komplexe Storage-Server-Cluster hinweg. Das wird vor allem geschäftskritische IT-Anwendungen in neue Sphären katapultieren.«

Lesen Sie auch das Kurzinterview Mission-Peak-Anforderungen bereits Realität mit Samsung-Experte Arenz im Storage-Magazin 03/2018 »Einkaufsführer Storage«.