Datenspeicher für das IoT-Zeitalter
Die meisten Daten werden heute nicht mehr auf Computern oder in Rechenzentren generiert, sondern von Milliarden vernetzten Maschinen, Smart Devices und Sensoren. Deren Speicher müssen hohe Anforderungen erfüllen. Flash ist hier das Speichermedium der Wahl. Doch unterscheiden sich die Anforderungen an die Schreib- und Leseperformance, Speichergrößen, Leistungsaufnahme sowie Schnittstellen je nach Anwendungsfall deutlich. Dieser Artikel schildert, welche Flash-Lösungen für welche Einsatzszenarien geeignet sind.
In den meisten Unternehmen wachsen die Datenmengen heute exponentiell, woran vernetzte Maschinen, Smart Devices und unzählige neue Sensoren einen entscheidenden Anteil haben. Mit ihnen verlagert sich der Schwerpunkt der Datengenerierung von den Rechnern der Mitarbeiter und aus den klassischen Rechenzentren an den äußersten Rand der Infrastruktur, den sogenannten Edge. Teilweise findet die Verarbeitung der Daten direkt auf dem Edge-Device statt, etwa beim autonomen Fahren, wo das Fahrzeug sämtliche Verkehrssituationen völlig selbständig bewerten und entsprechend reagieren muss. In der Regel findet jedoch auch eine Datenübertragung statt, da auf dem Edge-Gerät nicht ausreichend Rechenkraft bereitsteht oder die Daten für weitere Analysen mit anderen Daten zusammengeführt werden müssen.
Allerdings erfolgt die Verarbeitung auch dann möglichst nah am Ort der Datengenerierung, um die mit Verzögerungen verbundene Übertragung in zentrale Rechenzentren oder die Cloud zu vermeiden. Schließlich werden die Ergebnisse der Analysen am Edge gebraucht, und das in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit. Beispielsweise um einem Servicetechniker live im AR-Headset einen wichtigen Hinweis einzublenden, eine Zahlung im Einzelhandel ohne große Wartezeiten freizugeben, eine Produktionsanlage schnell zu stoppen, wenn eine Komponente ausfällt, oder eine Lastspitze im Energienetz abzufangen.
5G erhöht die Storage-Anforderungen
Nach Prognosen der Marktforscher von Gartner wird bereits 2022 mehr als die Hälfte der Daten von Unternehmen am Edge generiert und verarbeitet. Diese Verarbeitung übernehmen Server, die mit SSDs ausgestattet sind, denn kein anderes Speichermedium vermag die hohen Anforderungen des Edge-Computing so gut zu erfüllen. Insbesondere die hohe Performance und geringe Latenz der mit Flash-Speicher bestückten Laufwerke ist unerlässlich, um den wertvollen Datenstrom, auf dem viele unternehmenskritische Anwendungen und Geschäftsmodelle basieren, zuverlässig aufzunehmen.
Häufig treffen die Daten über drahtlose Verbindungen ein, da zahlreiche IoT-Geräte mobil sind oder in Umgebungen stehen, die sich nicht verkabeln lassen. Unternehmen bauen deshalb für IoT-Anwendungen eigene Campus-Netzwerke auf – früher mit WLAN und 3G-Mobilfunk, inzwischen mit LTE und zunehmend 5G. Der neue Mobilfunkstandard kann deutlich mehr Geräte ansprechen als die bisherigen Standards, was perfekt fürs IoT-Zeitalter mit seinen unzähligen vernetzten Geräten ist, und unterstützt überdies weitaus höhere Datenraten bei geringerer Latenz. Dadurch lassen sich mehr Daten schneller übertragen, jedoch erhöhen sich die Anforderungen an den Storage beim Edge-Computing weiter. Ohne SSDs würde der Speicher schnell zum Flaschenhals und den Datenstrom ausbremsen.
Edge-Workload ist nicht gleich Edge-Workload
Welche SSDs zum Einsatz kommen, hängt indes vom konkreten Anwendungsfall und dessen Schreib- und Leselasten ab. Diese können höchst unterschiedlich sein – je nach Anzahl der vernetzten Geräte und Sensoren, der Art der Daten, die diese liefern, und ob sie das kontinuierlich oder nur zu bestimmten Zeiten tun. Ebenso spielt eine Rolle, ob die Analysen in Echtzeit erfolgen und nur neue oder auch ältere Daten einbeziehen müssen.
In leseintensiven Umgebungen ohne große Schreiblasten genügen Server-SSDs, die einen hohen Durchsatz und viele IOPS bieten. So können sie die eintreffenden Daten zügig schreiben und sehr schnell für Echtzeitauswertungen, etwa mit KI-Algorithmen, bereitstellen. Solche Laufwerke setzen meist auf TLC-NAND, bei dem eine Zelle drei Bits speichert, wodurch sich eine hohe Speicherdichte zu vergleichsweise geringen Kosten erreichen lässt. Sie sind üblicherweise für einen Drive Write Per Day (DWPD) ausgelegt, können also über die Garantiezeit pro Tag einmal mit ihrer vollen Kapazität beschrieben werden.
Da jeder Schreibvorgang die Speicherzellen der SSDs belastet, benötigen Unternehmen in schreibintensiven Umgebungen ausdauerndere Laufwerke, die drei oder sogar bis zu zehn DWPD unterstützen. Diese SSDs stellen einen größeren Bereich des physisch verfügbaren Speichers für das Wear Leveling zur Verfügung, wodurch die nutzbare Kapazität sinkt. Allerdings steigt die schreibbare Datenmenge (TBW, Terabytes Written) über die Einsatzzeit der SSD deutlich an.
Das Wear Leveling verteilt die Schreibzugriffe gleichmäßig auf alle Zellen, um für eine einheitliche Abnutzung zu sorgen, während die Garbage Collection sicherstellt, dass die Flash-Blöcke gemäß ihrer Dimensionierung möglichst vollständig mit Daten volllaufen. Dadurch ist gewährleistet, dass möglichst viele leere Blöcke für Schreibzugriffe bereitstehen und die SSD die spezifizierten Leistungswerte erzielt.
EDSFF E1.S als neuer Edge-Formfaktor
Wegen der steigenden Leistungsanforderungen am Edge befinden sich dort Server mit PCIe-NVMe-SSDs auf dem Vormarsch und lösen alte Systeme mit SATA-SSDs ab. Dabei kommen häufig spezielle Edge-Server zum Einsatz, die kompakt und nur von vorne zugänglich sind und mit SSDs im "Enterprise & Data Center SSD Form Factor" (EDSFF) ausgestattet werden. Deren schlanke, weit ins Gehäuse reichende Bauform ermöglicht hohe Speicherdichten auf kleinem Raum und nutzt den geringen Platz an der Frontblende der Systeme optimal aus.
Zudem erlaubt diese Bauform eine viel bessere Ableitung der Wärme von der SSD-Oberfläche als bei klassischen 2,5-Zoll-Laufwerken oder PCIe-Steckkarten. Das macht die Kühlung der Server effizienter und senkt den Strombedarf. So lassen sich die zur Verfügung stehenden Power-Budgets besser ausnutzen und beispielsweise Reserven einplanen oder Power-Budgets für mehr Compute-Ressourcen freimachen. Aus diesem Grund lohnt auch der Blick auf die Energieeffizienz der eingesetzten SSDs und der Griff zu genügsamen Modellen. Diese rentieren sich gleich doppelt: Sie verbrauchen selbst weniger Energie, produzieren aber auch weniger Wärme und senken damit den Kühlaufwand.
Befinden sich die Edge-Server indes nicht in geschützten und klimatisierten Serverräumen oder Edge-Rechenzentren und sind etwa in Containern untergebracht oder stehen in der Fertigungsumgebung, steigen die Anforderungen an die einzelnen Komponenten. Sie müssen robuster gegenüber äußeren Einflüssen wie Staub oder Temperaturschwankungen sein, was die Kosten deutlich erhöht.
SSD-Hersteller wie KIOXIA bieten für den jeweiligen Einsatzzweck passende Laufwerke an, die für hohe Leseleistung, hohe Schreiblasten oder gemischte Workloads optimiert sind. Die Laufwerke sind in unterschiedlichen Formfaktoren und mit unterschiedlichen Schnittstellen verfügbar, sodass sie sich in den verschiedensten Servermodellen nutzen lassen. Bei besonders hohen Schreib- oder Leseanforderungen können ihnen Unternehmen schnelle Caching-SSDs als Zwischenspeicher zur Seite stellen, die sich durch besonders niedrige Latenz und außerordentlich hohe Belastbarkeit auszeichnen.
Fazit
Die Weiterentwicklung von Flash-Laufwerke schreitet schnell voran. Damit stellen die Hersteller sicher, dass Schnittstellen und Übertragungsprotokolle künftigen Performance- und Latenzanforderungen gewachsen sind und mit der Weiterentwicklung von Funk- und Netzwerkstandards mithalten. Fortschritte in der Flash-Entwicklung machen die Speicher haltbarer und sorgen für stetig steigende Kapazitäten. Durch die Speicherung von mehr Bits pro Zelle und die zusätzliche Erhöhung der Lagen im Flashspeicher lässt sich immer mehr Speicherkapazität auf gleichem Raum unterbringen.
Autor: Frederik Haak, Senior Marketing Manager SSD-Produktmarketing bei KIOXIA Europe