🥇 Eine neue Art von SSD-Speicher wird den Energieverbrauch in Rechenzentren senken — so funktioniert es

Das System wird die Energiekosten um die Hälfte senken.

/ фото Andy Melton CC BY-SA

Warum eine neue Architektur benötigt wird

Laut Schätzungen von Data Centre Dynamics, werden elektronische Geräte bis 2030 40 % der weltweit erzeugten Energie verbrauchen. Ungefähr 20 % davon entfallen auf den IT-Sektor und Rechenzentren. Laut Daten europäischen Analysten verbrauchen Rechenzentren bereits 1,4 % des gesamten Stroms. Es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2020 auf 5 % ansteigt..

Einen erheblichen Teil des Stroms verbrauchen SSD-Speicher. Zwischen 2012 und 2017 stieg der Anteil von SSDs in Rechenzentren von 8 % auf 22 %.Obwohl SSDs ein Drittel weniger Energie benötigen (PDF, S. 13), bleiben die Stromkosten in Rechenzentren hoch.

Um den Energieverbrauch von SSDs in Rechenzentren zu senken, haben Ingenieure des MIT eine neue Architektur für SSD-Speicher entwickelt. Sie trägt den Namen LightStore und ermöglicht es, Speicher direkt mit dem Rechenzentrumsnetz zu verbinden und die Speicherserver zu umgehen. Laut den Autoren wird das System die Energiekosten um die Hälfte reduzieren.

Wie es funktioniert

LightStore — ein Flash-Speicher vom Schlüssel-Wert-Typ, bei dem Benutzeranfragen an die Speicher als Schlüssel dargestellt werden. Diese werden dann an den Server gesendet, der die mit diesem Schlüssel verknüpften Daten freigibt.

System enthält ein integrierter energieeffizienter Prozessor, DRAM und NAND-Speicher. Dieser wird von einem Controller und spezieller Software gesteuert. Der Controller ist für die Arbeit mit NAND-Arrays verantwortlich, während die Software die KV-Anfragen bearbeitet und die Schlüsselpaare speichert. Die Softwarearchitektur basiert auf einem LSM-Baum, der in vielen modernen DBMS verwendet wird.

Das Architekturdiagramm kann wie folgt dargestellt werden:

Im Diagramm sind die grundlegenden Komponenten von LightStore dargestellt. Ein Cluster von Knoten arbeitet mit Schlüssel-Wert-Paaren. Anwendungserver verbinden sich mit dem System über Adapter. Diese wandeln Kundenanfragen (zum Beispiel fread() von der POSIX-API) in KV-Anfragen um. Außerdem verfügt die Architektur über separate Adapter für YCSB, Block- (basierend auf dem BUSE-Modul) und Dateispeicher.

Bei der Verteilung der Anfragen verwendet der Adapter konsistentes Hashing. Es wird in Systemen wie Redis oder Swift verwendet. Mithilfe des KV-Request-Schlüssels generiert der Adapter einen Hash-Schlüssel, dessen Wert den Zielknoten bestimmt.

Die Kapazität des LightStore-Clusters ist linear skalierbar — es reicht aus, zusätzliche Knoten mit dem Netzwerk zu verbinden. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, neue Switches zu erwerben. Die Entwickler haben jedoch jedem Knoten zusätzliche Slots für den Anschluss von NAND-Chips zur Verfügung gestellt.

Das Potenzial der Architektur

Ingenieure des MIT berichten, dass die Bandbreite der LightStore-basierten Lösung 620 Mbit/s für 10-Gigabit-Ethernet beträgt. Ein Knoten verbraucht 10 W statt der üblichen 20 W (in den heute von Rechenzentren verwendeten SSD-Systemen). Außerdem nimmt die Hardware nur halb so viel Platz ein.

Derzeit arbeiten die Entwickler an einigen Punkten. Zum Beispiel kann LightStore nicht mit Bereichsanfragen und kleinen Anfragen umgehen. Diese Funktionen werden in Zukunft hinzugefügt, da LightStore LSM-Bäume verwendet. Zudem hat das System derzeit eine begrenzte Anzahl von Adaptern — YCSB- und Block-Adapter werden unterstützt. In Zukunft wird LightStore in der Lage sein, SQL-Anfragen und mehr zu verarbeiten.

Weitere Entwicklungen

Im Sommer 2018 stellte Marvell, ein Entwickler von Speicherlösungen, eine neue Reihe von SSD-Controllern vor, die auf KI-Systemen basieren. Die Entwickler integrierten NVIDIA Deep Learning-Beschleuniger in die Standardcontroller für Rechenzentren und Client-Anwendungen. Dadurch entstand eine eigenständige Architektur, die im Vergleich zu herkömmlichen SSD-Controllern weniger Energie verbraucht. Das Unternehmen hofft, dass die Technologie in der Edge-Computing, der Big Data-Analyse und im IoT Anwendung findet.

Kürzlich wurde die Produktreihe der Western Digital Blue Speicher aktualisiert. Im April präsentierten die Entwickler die Lösung – die WD Blue SSD, die auf Technologien von SanDisk basiert, die WD vor einem Jahr erworben hatte. Die aktualisierten WD Blue SSD zeichnen sich durch eine gesteigerte Leistung und Energieeffizienz aus. Die Architektur basiert auf der Spezifikation NVMe, die den Zugriff auf SSDs ermöglicht, die über PCI Express angeschlossen sind.

Diese Spezifikation erhöht die Effizienz von SSD-Speichern bei einer hohen Anzahl gleichzeitiger Anfragen und beschleunigt den Datenzugriff. Darüber hinaus ermöglicht NVMe eine Standardisierung der SSD-Schnittstelle – Hardware-Hersteller müssen nun weniger Ressourcen aufwenden. für die Entwicklung einzigartiger Treiber, Anschlüsse und Formfaktoren.

Perspektiven

Der Markt für SSD-Speichergeräte in Rechenzentren tendiert zur Vereinfachung der Architektur, Automatisierung der Speicherkomponenten und Steigerung der Energieeffizienz. Die Entwicklungen von Ingenieuren des MIT adressieren zuletzt genannte Herausforderung. Die Autoren erwarten, dass LightStore zum Industriestandard für SSD-Speicher in Rechenzentren wird. Man kann annehmen, dass auf dieser Basis zukünftig neue, noch effektivere Architekturen entstehen werden.

Einige Artikel aus dem ersten Blog über Unternehmens-IaaS: