🥇Nový typ SSD úložišť sníží energetickou spotřebu v datových centrech — jak to funguje

Systém sníží náklady na elektrickou energii na polovinu.

/ фото Andy Melton CC BY-SA

Proč je nová architektura potřebná

Podle odhadů Data Centre Dynamics, do roku 2030 budou elektronická zařízení spotřebovávat 40% veškeré energie vyrobené na planetě. Přibližně 20% z tohoto objemu připadne na IT sektor a datová centra. Podle informací evropských analytiků už datová centra „berou“ 1,4% veškeré elektřiny. Očekává se, že toto číslo vzroste na 5% do roku 2020..

Signifikantní část elektrické energie spotřebovávají SSD úložiště. V období od 2012 do 2017 podíl pevných disků v datových centrech vzrostl z 8 na 22%.Ačkoliv SSD spotřebovávají o třetinu méně energie (PDF, str. 13), náklady na elektrickou energii v datových centrech jsou stále vysoké.

Aby se snížila spotřeba energie pevných disků v datových centrech, inženýři z MIT navrhli novou architekturu SSD úložišť. Ta byla označena jako LightStore a umožňuje připojit disky přímo k síti datových center, obcházející ukládací servery. Podle slov autorů systém sníží náklady na elektrickou energii na polovinu.

Jak to funguje

LightStore je flash úložiště typu klíč-hodnota, ve kterém jsou uživatelské dotazy na disky znázorněny jako klíče. Ty jsou pak odeslány na server, který uvolňuje data spojená s tímto klíčem.

Systém obsahuje součástí je energeticky efektivní procesor, DRAM a NAND paměť. Ovládá ji ovladač a speciální software. Ovladač zajišťuje práci s poli NAND, zatímco software se stará o zpracování KV dotazů a ukládání párů klíčů. Architektura softwaru je postavena na LSM stromu,který se používá v mnoha moderních databázových systémech.

Schéma architektury lze znázornit následovně:

Na schématu jsou zobrazeny základní komponenty LightStore. Klaster uzlů pracuje s páry klíč-hodnota. Aplikační servery se připojují k systému pomocí adaptérů. Ty převádějí klientské dotazy (například fread() z API POSIX) na KV dotazy. Architektura také má samostatné adaptéry pro YCSB,bloková (na základě BUSE modulu) a souborová úložiště.

Při rozdělování dotazů adaptér používá konzistentní hashování.To se používá v systémech jako Redis nebo Swift. Pomocí klíče KV dotazu adaptér generuje hash klíč, jehož hodnota určuje cílový uzel.

Kapacita clusteru LightStore se lineárně škáluje — stačí připojit další uzly do sítě. V některých případech může být potřeba zakoupit nové switche. Nicméně vývojáři vybavili každý uzel dalšími sloty pro připojení NAND čipů.

Potenciál architektury

Inženýři z MIT uvádějí, že propustnost řešení na bázi LightStore dosahuje 620 Mbit/s pro 10gigabitový Ethernet. Jeden uzel spotřebovává 10 W místo obvyklých 20 W (v SSD systémech používaných datovými centry dnes). Kromě toho zařízení zaujímá dvakrát méně místa.

Nyní vývojáři dělají některé úpravy. Například LightStore zatím neumí pracovat s dotazy podle rozsahu a malými dotazy. Tyto funkce budou přidány v budoucnosti, protože LightStore používá LSM stromy. Systém kromě toho má omezenou sadu adaptéru — podporovány jsou YCSB a blokové adaptéry. V budoucnu bude LightStore schopný zpracovávat SQL dotazy a další.

Další vývoj

V létě 2018 představila společnost Marvell, výrobce úložných systémů, novou řadu SSD kontrolérů na bázi systémů AI. Vývojáři integrovali akcelerátory hlubokého učení NVIDIA do standardních kontrolérů pro datová centra a klientské aplikace. V důsledku toho vytvořili autonomní architekturu, která spotřebovává méně energie ve srovnání s klasickými SSD kontroléry. Společnost doufá, že systém najde uplatnění v okrajovém výpočtu, analýze velkých dat a IoT.

Nedávno byla obnovena řada disků Western Digital Blue. V dubnu vývojáři představili řešení — WD Blue SSD na bázi technologií SanDisk, které WD zakoupila před rokem. Aktualizované WD Blue SSD se vyznačují zvýšeným výkonem a energetickou účinností. Architektura je postavena na základě specifikace NVMe, která otevírá přístup k SSD připojeným přes PCI Express.

Tato specifikace zvyšuje efektivitu práce SSD disků s velkým počtem současných požadavků a zrychluje přístup k datům. Dále NVMe umožňuje standardizaci rozhraní SSD — výrobci hardwaru už nebudou muset vynakládat zdroje na vývoj unikátních ovladačů, konektorů a formátů.

Vyhlídky

Trh SSD úložišť pro datová centra směřuje k zjednodušení architektury, automatizaci komponentů úložišť a zvyšování energetické účinnosti. Vývojáři z MIT řeší poslední úkol. Autoři věří, že LightStore se stane odvětvovým standardem pro SSD úložiště v datových centrech. A lze předpokládat, že v budoucnu na jeho základě vzniknou nové, ještě účinnější architektury.

Několik materiálů z Prvního blogu o firemním IaaS: