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El estado de los sistemas de almacenamiento flash

Hacer que el desempeño del almacenamiento flash sea aún más rápido tiene poco que ver con los medios y más con la infraestructura de almacenamiento que lo rodea.

Los sistemas de almacenamiento flash cambiaron la empresa. El cambio hacia una matriz de puro flash casi ha eliminado los problemas de rendimiento de almacenamiento, por ahora. Pero las expectativas de los usuarios y la sofisticación de las aplicaciones se pondrán rápidamente al día, y la necesidad de mejorar el rendimiento nunca se detendrá. Sin embargo, los vendedores de almacenamiento no están parados, y hay varias innovaciones en el horizonte que permitirán a los sistemas de todo flash mantenerse por delante de las expectativas de los usuarios.

Haciendo que flash sea más rápido

La clave para hacer el flash más rápido tiene muy poco que ver con los medios, en realidad, y más que ver con la infraestructura que rodea a los medios. En su mayor parte, el flash –a medida que aumenta la densidad– se ha vuelto más lento, especialmente en los campos de entrada y salida (E/S) de escritura. Dicho esto, el rendimiento sigue siendo sustancialmente mejor que las alternativas de disco duro e incluso es mucho más rápido y menos latente que los componentes que rodean a los medios.

El desafío que enfrentan los vendedores flash es que los medios son tan rápidos y tan libres de latencia que el resto del paquete de estado sólido lo ralentiza. Ya se trate de una unidad flash o una matriz de puro flash, los proveedores deben mejorar el embalaje con el fin de mejorar el desempeño.

Es la CPU

Los sistemas de almacenamiento flash de hoy en día son principalmente software y a menudo se ejecutan en hardware de servidor relativamente estándar de Intel. En el centro del hardware está la unidad central de proceso (CPU). Cuanto más rápida es la CPU, más rápido se ejecuta el software y más rápido aparece la matriz de puro flash. De hecho, la mayoría de las actualizaciones de rendimiento a conjuntos de flash en los últimos tres a cuatro años han tenido mucho más que ver con la potencia de la CPU que con las mejoras a los propios medios.

El problema que enfrentan los proveedores de software de almacenamiento es que la forma en que las CPUs se están volviendo más potentes no es tanto por los aumentos brutos de velocidad sino por el aumento de la densidad del núcleo. Sólo unos pocos vendedores han explotado completamente la capacidad multithreading para aprovechar correctamente los núcleos en el hardware de almacenamiento sobre el que se ejecuta su software. Aquellos proveedores que han explotado multithreading han logrado un rendimiento líder en la industria con menos CPUs (ya que pueden aprovechar todos los núcleos disponibles), proporcionándoles una ventaja competitiva en cuanto a coste.

Servicios de almacenamiento más eficientes

Los sistemas de almacenamiento, en general, son conocidos por las características que ofrecen, especialmente los sistemas de almacenamiento flash. Además de las funciones de software estándar, como las instantáneas y la replicación, la mayoría de las matrices de puro flash proporcionan funciones de ahorro de costes como la deduplicación y la compresión. Los sistemas de almacenamiento flash híbrido, mientras tanto, mueven automáticamente los datos entre los niveles de flash y HDD. Eventualmente, este movimiento de datos puede ocurrir entre varios tipos de flash que ofrecen diferentes niveles de rendimiento.

El problema es que cada una de estas características requiere sobrecarga computacional y, en la mayoría de los casos, se agrega a la carga de E/S. Los proveedores de software están trabajando para que sus aplicaciones sean más eficientes, por lo que reducen la cantidad de latencia que sus productos agregan al sistema de almacenamiento flash global. Obviamente, una forma de abordar esto es aprovechar los procesadores multinúcleo. Además, los proveedores necesitan mejorar la duplicación y la eficiencia de la compresión. Esta mejora cambiará en gran medida la forma en que la matriz gestiona la sobrecarga de metadatos que cada una de estas características requiere.

NVMe: conexiones flash más rápidas

Otra área a explorar son las conexiones dentro de la matriz de flash. Hoy en día, la mayoría de los conjuntos de flash son esencialmente servidores que ejecutan software de almacenamiento. Esos servidores tienen CPUs conectadas a las unidades flash, normalmente a través de una conexión SAS. Mientras que SAS tiene un montón de ancho de banda en crudo, la tecnología fue diseñada en la era del disco duro, no la era del flash. Esto significa que utiliza protocolos SCSI estándar para conectar unidades flash SAS.

El protocolo SCSI añade latencia, por lo que los proveedores buscaron algo mejor, incluso algunos crearon sus propios protocolos propietarios. Mientras que estos protocolos propietarios mejoraron el rendimiento, si se deja continuar, cada oferta de proveedor de flash requeriría su propio controlador. En la empresa, esto significa que un servidor necesitaría un controlador de flash para cada dispositivo flash en el que desee almacenar datos. Los proveedores también tendrían que desarrollar controladores para cada sistema operativo y entorno.

Lo que los proveedores y los profesionales de TI necesitaban era un protocolo estándar específicamente para acceder a los sistemas de almacenamiento flash. La industria respondió con la memoria no volátil express (NVMe), un protocolo estandarizado diseñado específicamente para la tecnología de almacenamiento basada en memoria.

NVMe simplifica la pila de E/S de software reduciendo la sobrecarga innecesaria introducida por la pila SCSI. También admite más colas que el SCSI estándar, aumentando las colas a 64.000, desde la única cola que admite la interfaz avanzada de controlador de host avanzado (AHCI, Advanced Host Controller Interface). Y dado que cada cola NVMe puede soportar 64.000 comandos (muy por arriba de los 32 comandos soportados por AHCI en su única cola), debe significar que una unidad NVMe es de dos a tres veces más rápida que las conexiones SAS o SATA. Además, dado que es un estándar de la industria, las unidades NVMe de un proveedor deben interactuar con las unidades de otro proveedor.

Los vendedores de unidades flash están adoptando e implementando rápidamente NVMe en sus unidades, mientras que la mayoría de los proveedores de sistemas flash han anunciado o están programados para anunciar versiones basadas en NVMe de sus productos. El resultado es que el movimiento de datos dentro del sistema de almacenamiento debería mejorar significativamente durante el próximo año. Sin embargo, para los sistemas de almacenamiento compartido, todavía hay una red de almacenamiento que necesita ser recorrida.

La mayoría de los principales proveedores de redes, incluyendo Brocade y Cisco, han anunciado su compatibilidad con NVMe sobre Fabrics, lo cual debería estar disponible en los perfiles Ethernet y Fibre Channel. Esta norma tardará más tiempo en abrirse camino en el centro de datos, pero en los próximos años muchos centros de datos harán la transición. La buena noticia es que la mayoría de los productos que llegan al mercado soportarán tanto el acceso de tipo SCSI heredado como NVMe simultáneamente.

Por ahora, la mayoría de las ganancias en conectividad vendrán de aumentos continuos en el ancho de banda y del uso más inteligente de ese ancho de banda.

DIMM de flash

La mayoría de los productos NVMe se instalan a través de la interfaz PCIe, pero hay un canal más rápido disponible para los proveedores de memoria de almacenamiento: el propio bus de memoria. Mientras que el bus PCIe es un bus compartido utilizado para una variedad de conexiones, el único dispositivo utilizado en el bus de memoria es la memoria. Obviamente, el bus de memoria ha sido principalmente el dominio de la RAM dinámica (DRAM), pero ahora, los fabricantes de flash están buscando explotar esta ruta de alta velocidad a la CPU también. Mientras que un DIMM flash es más lento que DRAM, ofrece una capacidad mucho más alta por DIMM y es mucho menos costoso.

Los vendedores han entregado dos formas de tecnología flash DIMM. En la primera forma, el DIMM flash se parece a una unidad flash, y se utiliza como un dispositivo de almacenamiento de alta velocidad. La opción DIMM-as-storage es un lugar ideal para poner archivos muy activos, como los archivos de paginación de la memoria virtual.

La otra forma de tecnología flash DIMM es que el flash DIMM actúe como memoria en lugar de almacenamiento. Las mismas ventajas se aplican –densidad y costo– y la desventaja –menor rendimiento que DRAM– no es tan importante como usted podría pensar. En la mayoría de los diseños, el DIMM flash actúa como un caché en el DIMM DRAM. Las nuevas escrituras se escriben en DRAM y luego se distienden a una mayor área de flash cuando es necesario volver a leerlo.

La recompensa clave para el flash como memoria del sistema es la posibilidad de desplegar el doble de memoria por servidor en aproximadamente la mitad del costo. Esa combinación es ideal para aplicaciones modernas de escalado, como Cassandra, Couchbase, Spark y Splunk. La mayoría de estos entornos enfrentan el desafío de administrar la proliferación de nodos, pero esa proliferación es causada por una escasez de memoria, no por el rendimiento de la CPU.

Otro uso interesante para el DIMM flash es evitar que los servidores pierdan datos en un fallo del sistema. Piense en un servidor que actúa como un equipo de cómputo portátil. Simplemente se duerme si pierde energía, en lugar de perder datos. Entonces, cuando se restaura el poder, reanuda desde donde se quedó.

Conclusión

Por primera vez, las empresas tienen la oportunidad de proporcionar más rendimiento de flash de la que necesitan la mayoría de sus aplicaciones y usuarios. Pero esto no es cierto en todas las aplicaciones. Además, a medida que los entornos se virtualizan y las aplicaciones continúan escalando, este excedente de rendimiento se evaporará rápidamente.

Los proveedores siguen concentrados en mejorar el rendimiento, pero el siguiente paso será más difícil que simplemente añadir flash a nuestras configuraciones normales del sistema. Mantener el ritmo requerirá un software más eficiente, así como la mejora de la conectividad interna y externa.

Después del flash

La memoria flash no es el final de la tecnología de almacenamiento basada en la memoria. Recuerde que la DRAM es aún más rápida (especialmente en escritura de E/S), y es más duradera. Pero la volatilidad de DRAM es su mayor debilidad. El siguiente paso en la evolución de la memoria es añadir la persistencia a DRAM. Conocida como memoria no volátil, hay varias tecnologías que compiten por la atención de los fabricantes de sistemas y los profesionales de TI.

Una de esas tecnologías es Intel 3D XPoint. Intel afirma que estos dispositivos tendrán menor latencia, mayor rendimiento de escritura y mejor durabilidad por el doble del precio de la memoria flash. Pero Intel no es la única empresa que ofrece productos de memoria no volátil. Empresas como Crossbar, Everspin y otros también están trayendo productos al mercado.

Este artículo se actualizó por última vez en julio 2017

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