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In IBM FlashSystem 900

Die IBM FlashSystem-Familie ist das Ergebnis jahrelanger Entwicklung und Investitionen von 1 Milliarde US-Dollar in Flash-Technologie. Die interne Struktur von AFAs ist oft das strengste Geschäftsgeheimnis. Hersteller konzentrieren sich in der Regel auf das Marketing (wie schnell Daten verarbeitet werden, Schreib- / Lesegeschwindigkeit, Zuverlässigkeit), geben jedoch keine Details zur Struktur der Systeme bekannt.



Vor nicht allzu langer Zeit bot IBM die Möglichkeit, die Komponenten seines FlashSystem 900 in Betracht zu ziehen, das als eigenständiges Gerät arbeitet und 1 Million / 600.000 IOPS für zufälliges Lesen / Schreiben und 10,5 / 4,5 Gbit / s E / A für sequentielles Lesen / Schreiben bereitstellt. FlashSystem 900 dient auch als Komponente in größeren Systemen derselben AFAs von IBM, FlashSystem V9000 und A9000. Wenn Sie sich mit FlashSystem 900 vertraut machen, können Sie den Unterschied zwischen einer Komponente und einem größeren System erkennen, das aus diesen Komponenten erstellt wurde.

Die Entwicklung von Flash-Arrays


Flash-Arrays haben sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, begannen jedoch mit der Verwendung herkömmlicher SSDs mit einem Standard-2,5-Zoll-Formfaktor, die an Speichersysteme für Festplattenlaufwerke angeschlossen wurden. Durch die Verwendung von SSD konnte das System im Vergleich zur Festplatte erheblich beschleunigt werden. Dies löste das Problem jedoch nicht vollständig. Engpässe wanderten einfach in andere Komponenten des Arrays (RAID-Controller oder Netzwerkschnittstelle).

Die Pioniere der Flash-Arrays begannen, optimierte SSD-Geräte mit schnelleren internen Komponenten und optimierten Datenübertragungskanälen zu entwickeln, während die Anforderungen an Rechenzentren nur noch zunahmen. Die meisten AFA-Hersteller verwenden immer noch 2,5 SSDs. Die neuesten AFAs, die auf 2,5-SSDs basieren, bieten Benutzern eine hohe Leistung und Fehlertoleranz. Die Funktionen solcher SSDs sind jedoch aufgrund der werkseitigen Firmware eingeschränkt.

Andere Hersteller wie IBM, XtremIO (EMC) und Violin haben ihre eigenen AFAs mit speziell entwickelten Flash-Modulen erstellt. Diese neuen Produkte bieten die Möglichkeit, NAND selbst zu steuern, wodurch Sie wiederum die Datendichte, Leistung, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit steuern können.

IBM FlashSystem 900


Das FlashSystem 900 ist ein 2U-Gehäuse mit 12 Hot-Swap-fähigen MicroLatency-Modulen (siehe Abbildung unten). Darüber hinaus verfügt das System über zwei große Lithium-Ionen-Batterien (links), die genügend Strom liefern, um den Aufzeichnungsprozess bei einem Ausfall der Hauptstromquelle abzuschließen. Batterien liefern genug Strom, um das Array korrekt und ohne Datenverlust herunterzufahren.



Jedes MicroLatency-Modul kann einen Flash-Speicher von 1,2 TB, 2,9 TB oder 5,7 TB enthalten. Das System zeichnet wiederum Daten über ein Modul auf. Die Module selbst sind in RAID 5 konfiguriert, um maximale Datensicherheit bei Ausfall eines der Module zu gewährleisten. IBM verwendet außerdem einen eigenen RAID-Variablenpfad auf Flash-Ebene, um ein zweidimensionales Paritätssteuerungsschema zu erstellen.



Jedes MicroLatency-Modul verfügt über ein Dual-PCB-Design mit Xilinx Kintex-7 FDA. Jede Leiterplatte kann bis zu vier FPGAs aufnehmen, die Anzahl der FPGAs hängt jedoch von der Dichte des Moduls ab. Beispielsweise verwendet ein 1,2-TB-Modul nur ein FPGA auf einer einzelnen Leiterplatte. Durch die Verwendung einer Multi-FPGA-Architektur kann IBM Leistung und Leistung linear skalieren.



Ein genauerer Blick auf die Rückseite der Platine zeigt zwei PCIe 3.0 x2-Verbindungen auf der linken Seite. Diese Steckplätze werden verwendet, um eine Verbindung zum Host herzustellen und über das von IBM patentierte serielle Protokoll zu kommunizieren. Das Protokoll bietet ähnliche Vorteile von NVM Express: reduzierte Prozessorlast, Latenz, verbesserte Leistung. Das proprietäre Protokoll verwendet einen hardwarebeschleunigten Datenpfad mit End-to-End-Routing, um Prozesse zu vermeiden, die Verzögerungen wie Unterbrechungen verursachen.



Jedes FPGA verfügt über einen eigenen DRAM für die LBA-Verwaltung, und IBM verwendet DRAM auch zum Zwischenspeichern von Benutzerdaten.
Die meisten SSDs speichern Benutzerdaten nicht im DRAM zwischen, aber der Ansatz zum Schutz des Stromausfalls auf Systemebene (über Batterien) bietet IBM mehrere Vorteile. Für die einzelnen im FlashSystem 900 verwendeten SSDs sind keine speziellen Kondensatoren erforderlich, die normale 2,5-Zoll-SSDs verwenden. Dadurch kann das Unternehmen mehr Flash-Speicher in das Projekt packen. Weniger Kondensatoren reduzieren auch potenzielle Fehlerquellen und die Komplexität der Software.

Zwischen den Flash-Speicherpaketen befinden sich noch mehrere Kondensatoren, die jedoch zur Bekämpfung des Spannungsabfalls verwendet werden, wenn das System gleichzeitig in mehrere NAND-Pakete schreibt.



IBM hat eine strategische Partnerschaft mit Micron geschlossen, um FortisFlash NAND zu nutzen, das anpassbar ist und erweiterte Systemprogrammierungsfunktionen bietet. Auf diese Weise kann IBM die Kernprogrammierung jeder Einheit während ihrer gesamten NAND-Lebensdauer basierend auf Alter und Gesundheit dynamisch ändern. Micron wies darauf hin, dass der FortisFlash NAND MLC bei richtiger Konfiguration bis zu 10.000 Umschreibzyklen bieten kann (mehr als das Dreifache der Standardbewertung von 3000 Zyklen).

Es gibt viele verschiedene Arten von ECC, wie BCH und LDPC, und jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. AFA-Anbieter, die eine 2,5-Zoll-SSD verwenden, sind auf ECC beschränkt. Sie können nur das vom Hersteller installierte SSD-Laufwerk verwenden. Benutzerdefiniertes Design bietet jedoch die Flexibilität, benutzerdefinierte ECC-Algorithmen zu verwenden.

IBM hat einen eigenen ECC-Algorithmus entwickelt. Diese Implementierung schwankt zwischen BCH, einem intensiven Verfahren mit begrenzten Fehlerkorrekturfähigkeiten, und LDPC, das während des Fehlerkorrekturprozesses eine übermäßige Aufzeichnungsverstärkung erfahren kann (wodurch die Verschleißfestigkeit verringert wird). IBM ist der Ansicht, dass die benutzerdefinierte Fehlerkorrektur "Einmal lesen" das Beste aus beiden Methoden umfasst.

IBM verwendet auch die Wärmetrennung, die heiße und kalte Daten erkennt und diese dann kombiniert, um den Verschleiß zu verringern. Das Unternehmen verfolgt dynamisch die verbleibende Anzahl möglicher Überschreibungen jeder Zelle, sodass selten geänderte „kalte“ Daten in älteren NAND-Zellen gespeichert werden. Aufgrund dessen bleibt die Verschleißfestigkeit erhalten. IBM behauptet, dass die Wärmedämmung die Lebensdauer um 49 Prozent erhöht und die zusätzliche selektive Verschleißnivellierung (basierend auf dem NAND-Zustand) die Lebensdauer um 57 Prozent erhöht.



Jedes 2U-Gehäuse enthält zwei redundante Netzteile direkt hinter der Frontplatte des verfügbaren Hot-Swap-Akkus. Das System verfügt über vier Hot-Swap-fähige modulare Lüfter in zwei großen Blockkanistern (links). Jeder von ihnen verfügt über eine Reihe von E / A-Ports (Fibre Channel-, iSCSI- und FCoE-Bereiche) oben, die sich auf den Hot-Swap-fähigen Schnittstellenkarten befinden.



Jeder Kanister enthält zwei Prozessoren der Intel Xeon E5v2-Serie, 64 GB RAM und einen RAID-Controller (XBAR). Kanister können auch im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, um Ausfallzeiten im Falle eines Ausfalls in einem berechneten Teil des Systems oder Speichers zu minimieren. Das Design selbst ist so optimiert, dass maximal zwei Hops und nie wieder von den Dateneingabe- / Ausgabeports zum Flash-Speicher bereitgestellt werden, was eine stabile Leistung und Stahllatenz garantiert.

Größere Relevanz.


IBM erwarb Texas Memory Systems im Jahr 2012 und investierte 2013 zusätzlich 1 Milliarde US-Dollar in Flash-Technologie. Auf diese Weise konnte das Unternehmen einzelne Flash-Arrays entwickeln, die eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit als typische Flash-Arrays mit 2,5 SSDs aufweisen. IBM behauptet, dass die FlashSystem-Familie 9,41 Prozent mehr Lebensdauer bietet als Konkurrenzlösungen und eine Garantie von sieben Jahren gewährt. IBM Spezialisten können die Speicherdichte in ihren MicroLatency-Modulen erhöhen, die im gesamten System Schutz vor Stromausfall bieten. Sie können dies über ihre eigene, hardwaregesteuerte, serielle Schnittstelle tun, die durch Software verursachte Verzögerungen beseitigt. Das Unternehmen entwickelte eine eigene Architektur,Bereitstellung einer Reihe von Vorteilen, wie z. B. benutzerdefinierte ECC- und adaptive NAND-Algorithmen, die dem Endbenutzer große Vorteile in Bezug auf Dichte, Leistung und Kosten bieten.

IBM ist nicht das einzige Unternehmen im Flash-Laufwerk. EMC hat kürzlich eine ganze Reihe von Flash-Geräten eingeführt, von denen einige benutzerdefinierte SSD-Designs verwendeten. Das Unternehmen stellt alle seine Speichersysteme vollständig auf Flash-Speicher um. Pure Storage hat auch eine vielversprechende FlashBlade-Initiative, aber die Plattform ist derzeit noch nicht auf dem Markt verfügbar. Violin Memory hat auch ein individuelles Projekt, aber seine schlechte Leistung und seine düsteren Aussichten halten viele davon ab, diese Lösung zu verwenden.

IBM gehört zu den Top-AFA-Anbietern in Bezug auf Leistung, ist aber keineswegs der erste Umsatz. Das Unternehmen behauptet, dass es im Endergebnis eines einzelnen Projekts eine höhere Flash-Leistung zu geringeren Kosten als die Konkurrenz bieten wird.

Es ist klar, dass die auf Flash-Technologie basierende Zukunft noch spezialisiertere und optimierte Projekte bringen wird. Wahrscheinlich - dies wird zum Tod vieler Systeme (und Unternehmen) führen, die vermarktete 2,5-Zoll-SSDs verwenden.

Source: https://habr.com/ru/post/de395715/

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