🥇Nový typ SSD úložísk zníži energetickú spotrebu v dátových centrách — ako to funguje

Systém zníži náklady na elektrickú energiu na polovicu.

/ фото Andy Melton CC BY-SA

Prečo je potrebná nová architektúra

Podľa odhadov Data Centre Dynamics, do roku 2030 budú elektronické zariadenia spotrebovávať 40% celej energie vyrobenej na planéte. Približne 20% z tohto množstva pripadne na IT sektor a dátové centrá. Podľa údajov európskych analytikov, dátové centrá už „odoberajú“ 1,4% celej elektrickej energie. Očakáva sa, že toto číslo vzrastie na 5% do roku 2020.

Významnú časť elektrickej energie spotrebúvajú SSD úložiská. V období od 2012 do 2017 sa podiel SSD diskov v dátových centrách zvýšil z 8 na 22%. Hoci SSD spotrebúvajú o tretinu menej výkonu (PDF, str. 13), ako HDD, na úrovni dátových centier zostávajú účty za elektrinu vysoké.

Aby sa znížila spotreba energie pevných diskov v dátových centrách, inžinieri z MIT vyvinuli novú architektúru SSD úložísk. Dostala názov LightStore a umožňuje pripojenie úložísk priamo k sieti dátových centier, bez prechodu cez úložné servery. Podľa súhrnu autorov sa systém zníži náklady na elektrickú energiu na polovicu.

Ako to funguje

LightStore je flash úložisko typu kľúč-hodnota, kde sa používateľské požiadavky na úložiská zobrazené ako kľúče. Následne sa posielajú na server, ktorý uvoľňuje údaje súvisiace s týmto kľúčom.

Systém obsahuje so zabudovaným energeticky efektívnym procesorom, DRAM a NAND pamäťou. Ovláda ju kontrolér a špeciálny softvér. Kontrolér zodpovedá za prácu s maticami NAND, zatiaľ čo softvér spracováva KV požiadavky a uchováva páry kľúčov. Architektúra softvéru je postavená na báze LSM-stromu, ktorý sa používa v mnohých moderných DBMS.

Schému architektúry je možné predstaviť nasledovne:

Na schéme sú znázornené základné komponenty LightStore. Klaster uzlov pracuje s dvojicami kľúč-hodnota. Aplikačné servery sú pripojené k systému pomocou adaptérů. Tieto prevádzajú zákaznícke požiadavky (napríklad fread() z API POSIX) na KV požiadavky. Architektúra má tiež samostatné adaptéry pre YCSB, blokové (na báze BUSE modulu) a súborové úložiská.

Pri rozdeľovaní požiadaviek adaptér používa konzistentné hashovanie. To sa používa v systémoch ako Redis alebo Swift. Pomocou kľúča KV požiadavky adaptér generuje hash-kľúč, ktorého hodnota určuje cieľový uzol.

Kapacita klastru LightStore sa lineárne škáluje — stačí pripojiť ďalšie uzly do siete. V niektorých prípadoch môže byť potrebné zakúpiť nové prepínače. Vývojári však vybavili každý uzol ďalšími slotmi na pripojenie NAND čipov.

Potenciál architektúry

Inžinieri z MIT tvrdia, že priepustnosť riešenia založeného na LightStore je 620 Mbit/s pre 10-gigabitový Ethernet. Jeden uzol spotrebováva 10 W namiesto bežných 20 W (v SSD systémoch, ktoré sa dnes používajú v dátových centrách). Navyše, hardvér zaberá dvakrát menej miesta.

Momentálne vývojári upravujú niektoré aspekty. Napríklad, LightStore zatiaľ nedokáže pracovať so žiadosťami vo formáte rozpočtu a s malými požiadavkami. Tieto funkcie budú pridané v budúcnosti, pretože LightStore používa LSM stromy. Systém má tiež obmedzenú sadu adaptérov — podporované sú YCSB a blokové adaptéry. V budúcnosti bude LightStore schopný spracovávať SQL požiadavky a ďalšie.

Iné vývojové projekty

V lete 2018 spoločnosť Marvell, vývojár SDC, predstavila novú radu SSD ovládačov založených na AI systémoch. Vývojári integrovali akcelerátory hlbokého učenia NVIDIA do štandardných ovládačov pre dátové centrá a klientské aplikácie. Výsledkom je vytvorenie nezávislej architektúry, ktorá spotrebováva menej energie v porovnaní s klasickými SSD ovládačmi. Spoločnosť dúfa, že systém nájde aplikáciu v okrajovom výpočte, analýze veľkých dát a IoT.

Nedávno sa aktualizovala rada diskov Western Digital Blue. V apríli vývojári predstavili riešenie — WD Blue SSD založené na technológii SanDisk, ktorú WD získala pred rokom. Aktualizované WD Blue SSD sa vyznačujú zvýšenou výkonnosťou a energetickou účinnosťou. Architektúra je postavená na špecifikácii NVMe, ktorá otvára prístup k SSD pripojeným cez PCI Express.

Táto špecifikácia zvyšuje efektívnosť prevádzky SSD diskov s veľkým počtom súčasných požiadaviek a urýchľuje prístup k dátam. Okrem toho NVMe umožňuje štandardizovať rozhranie SSD — výrobcovia hardvéru už nemusia míňať prostriedky na vývoj unikátnych ovládačov, konektorov a formátov.

Vyhliadky

Trh SSD úložísk pre dátové centrá sa posúva smerom k zjednodušeniu architektúry, automatizácii práce komponentov úložísk a zvyšovaniu energetickej efektívnosti. Vývoj inžinierov z MIT rieši posledný problém. Autori predpokladajú, že LightStore sa stane odvetvovým štandardom pre SSD úložiská v dátových centrách. A dá sa predpokladať, že v budúcnosti na jeho základe vzniknú nové, ešte efektívnejšie architektúry.

Niekoľko materiálov z Prvého blogu o firemnom IaaS: