All-Flash Storidž sistemi - put do elektronskog datacentra

Nikola Budimir

Coming- Computer Engineering

Septembar, 2015

Sadržaj• Zašto All Flash storage

• Ograničenja magnetnih diskova

• Prednosti all flash sistema

• Performanse all flash sistema

• Tehnologije za redukciju prostora

• Mane - habanje, cena?

• Ekonomski aspekt

• Evolucija flash arhitekture

• Scale-out shared data arhitektura

• Primer Netapp all flash sistemi

• Flash arhitekturni trendovi

2

Performanse storidža Kakve probleme imamo danas?

• Pojavom magnetnih diskova vremepristupa tim diskovima je bilo jednako brzo kao brzina procesora

• Godišnji rast performansi diskova 5% a procesora 60%

• Jasno je šta je usko grlo u datacentru!

Magnetni diskovi su limitirani brzinom rotacije i vremenom pristupa (ms) dok se kompjuterski ciklusi mere u ns

Nema mnogo prostora za povećanje performansi magnetnih diskova

Tradicionalni storidž sistemi problem performasi rešavaju razvijanjem kompleksnih algoritama koji povećavaju verovatnoću da se podatak za aplikaciju nalazu u DRAM-u koji štite baterije-smanjivanjelatencije

dodavanjem novih diskova (kapaciteta)-povećanje IOPS-a

Sve te tehnologije ne pomažu uvek aplikacijama

Krajnji rezultat: današnje aplikacije su zavisne od kompleksnog infrastrukturnog softvera koji treba da premosti sve veću razliku u performansama procesora i storidža

Ograničenja tradicionalnih storidž sistema

Rešenje za premošćavanje razlika u performansama• All flash sistemi rešavaju problem performansi

Prednosti:

Mane:

5

Performanse: IOPS-i & Latencija (vreme pristupa)

Latency

How fast is your drink

delivered to your table

Table = Server

Cup Bearer

CDU = Central Drink Unit

IOPS

Amount of drinks per hour

Latencija kod storidž sistema

Roughly 30% of data center power and cooling costs are from storage Flash is more power efficient1

Lower power and cooling costs

Flash is more efficient Lower rack space requirements for the same or higher performance

SSD HDD

Idling Power Watts 0.5 6.8

Load Power Watts 0.9 10.1

Flash efikasno koristi struju i prostor u datacentru

Tehnologije koje su prisutne već dugo vremena na microsoft PC, i netapp storidžu

Danas prisutne kod većine storidž vendora

Deduplikacija i kompresija dovode do manje količine podataka koji će biti upisani- ali

Vode u fragmentacuiju i prave kompleksne lance i metadata podatke kojima se teško upravlja na sporim diskovima

Diskovi imaju malu gustinu pristupa,deduplicirani i komprimovani podaci imaju lošije performanse

Storidž kontroler overhed zbog procesiranja i menadžmenta redukcijom podataka

Flash može tehnologije za redukciju podataka da podrži kao standard

Deduplikacija i kompresija - tehnologije za redukciju podataka

Da li ima razloga za zabrinutost?

Mane - Habanje diskova (wearing)

Šta prouzrokuje habanje flash-a?

Flash Device

Comprised of billions or trillions of transistors (cells)

Each transistor 1000x thinner than a human hair

4KB 32,768 cells*

Floating Gate

An area within a cell insulated by an oxide layer which

allows the transistor to hold it’s charge for years

This difference in charge is interpreted as a bit (0 or 1)*

e- e-

e- e-

e-

e-

0 0 01 1

CellFloating

Gate

Flash Wear

When a flash cell is written to it’s ability to hold a stable

charge is slightly reduced because the oxide layer in the

cell is eroded by the insert of the charge

Flash wear (endurance) is measured in drive writes per day (DWPD)

How often the entire capacity of the drive can be written per day over the warranty lifetime

Based on a worst case scenario, nonstop 100% random write workload

Kako merimo habanje Flash-a?

Da li ću pohabati flash?

• Unconditional warranty up to 5 years• 3 years standard, upgradable to 5 years

• Life expectancy well over 5 years

NE!12x1.6 TB

~30TB written per day 3 DWPD*

*parity write overhead included

Estimated Lifetime (Years)

64kb_seq_wr 7.75

4kb_rnd_7030 8.57

8kb_rnd_6030 9.97

Real World Customer Example on Write Endurance• 1900 SSDs spread over 56 controllers

• SSD only aggregates with high write percentage (radar and satellite data)

• In production since 2010

• German weather services – real time weather visualization

Life expectancy of SSDs well beyond 5 yearsBenefit

storage show disk –a

...

Rated life used: 1 %

Spare blocks consumed: 21 %

...

Rated life used: 1 %

Spare blocks consumed: 27 %

...

Rated life used: 1 %

Spare blocks consumed: 14 %

...

Spare blocks consumed <30%

NetApp SSD shelves shortened the time to display current weather conditions from 10-15 seconds down to 1 second

Zaključak

• Wear leveling software napredovao dramatično, i nastavlja da se razvija

• SSD se nudi sa većom garancijom nego diskovi 5-10god.

• očekuje se da raste i dalje

• Flash wear može da se monitoriše

• Flash diskovi su mnogo pouzdaniji od magnetnih diskova i nastavljaju da povećavaju svoju pouzdanost

• Cena održavanja magnetnih diskova je 18% godišnje cene akvizicije

• Za flash je 10% i očekuje se da padne još

• Migracija sa disk array-a na drugi disk array meri se mesecima

• Kod flash-a se meri u satima

All Flash Storage- Projekcija cena

Flash - polako postaje najjeftiniji medijum od 2016.

Ekonomski pokretači za razvoj Flash tehnologija• Potrošači (consumer market)

• Apple iPod septembar 2005, ARM chip tehnologija

• EMC 2008, SSD diskovi

• Mobilni uređaji, flash i ARM

• iPod uvodi cloud service u ponudu (kapacitet postaje irelevantan) septembar 2014

• Flash tehnologija se razvijala brže nego što to definiše

Moor-ov zakon (broj tranzistora se svake 2 godine udvostručuje)

Evolucija Flash arhitektura

1. Eksploatacija postojećih sistema sa SSD diskovima

EMC početkom 2008 uveo prvi SSD disk

2. Hibridne arhitekture

smanjeno prosečno kašnjenje, osnova i dalje HDD

3. All flash array na tradicionalni dvokontrolerskim sistemima

od prostih brzih IBM FlashSystems do sofisticiranih PureStorage

4. Scale-out shared data Arhitekture

Scale-out shared data Arhitekture - ključni atributi

1. ScalabilnostMora da prevaziđe granice dual controlera

Mora da omogući pristup svih nodova svim metadata podacima

2. Conzistentna latencija

3. Napredne snapshot tehnologije

4. Napredne QoS tehnologije

Ovakav storidž array 4. generacije je osnova za elektronski datacentar

All-Flash FAS All-Flash FAS All-Flash FAS

All-Flash FAS

Primer skalabilnosti

21

Scale Out by Adding Controllers(Maximum 24 Controllers)

>4 million IOPS and nearly 5PB of all-flash capacity

Scale Up Individual Controllers

NetApp® all-flash FAS: Scalable high performance for dedicated workloads

All-Flash FAS

Mixed all-flash and hybrid FAS: One storage repository for all workloads

All-Flash FAS Hybrid FAS

Hybrid FAS

All-Flash Storidž

All-flash arrays

• Deploy all-flash for performance driven applications

• Consistency in application performance

• Predictable ultra-low latencies

• Extreme IOPS and throughput

• Lowest opex

All-Flash

All-Flash FAS:

Hardware architecture designed for performance• Up to 40 CPU cores and I/O-optimized hardware move data more quickly

• Larger memory stores enable faster response times

• Storage controllers handle routine SSD tasks and eliminate overhead

Data ONTAP® optimized for flash• Parallel threading of I/O lets you handle more requests at once

• In-memory write coalescing limits SSD wear

• Read-ahead pulls data into memory for fastest access

Storage efficiency• Inline compression reduces wear on flash

• Data reduction technologies enable up to 5x–10x and higher space savings*

• Advanced SSD partitioning further increases usable/effective capacity

24* Depending on use cases and workloads.

Fleksibilne opcije za sve ukuse i potrebe

25

All-flash FAS cluster

Scale-out performance and capacity

Up to 24 nodes and nearly 5PB

NetApp® all-flash FAS HA pair

Performance for dedicated workload

All-flash FAS and hybrid FAS nodes in cluster

Leverage all-flash FAS for high-performance nodes

Transparently balance workloads between all-flash and hybrid nodes as requirements change

All-Flash FAS All-Flash FAS All-Flash FAS

All-Flash FAS

All-Flash FAS

Hybrid FAS Hybrid FAS

Svaki FAS može biti All-Flash FAS• To be an all-flash FAS, you need:

• FAS

• SSD shelves

• No HDDs or array LUNs

FAS8040FAS8020 FAS8060

FAS/V6220FAS/V3220 FAS/V3250FAS2240FAS2220 FAS/V6250 FAS/V6290

FAS8080 EXFAS2500

Flash arhitekturni trendovi

Server SAN Arhitekture

• Približavanje storidža serverskom sloju

• Softverski definisan storidž na komoditi serverima - VMware VSAN

• High pefromance subnet

• RDMA (Remote Direct Memory Access) over Infiniband p2p network

• Atomic Writes – omogućava da Flash postaje ekstenzija DRAM-a

Hvala!