Fachartikel

NVMe verändert das Rechenzentrum

Mit der Spezifikation Non-Volatile Memory Express (NVMe) gibt es eine neue Methode, um auf Solid-State-Laufwerke über einen PCIe-Bus zuzugreifen. Dank der Leistungsvorteile und der niedrigen Latenzen im Vergleich zu älteren Protokollen wird ihre Verbreitung in den nächsten Jahren exponentiell wachsen. NVMe-fähige Speicherinfrastrukturen finden auch in anderen Bereichen der Rechenzentren Einsatz, die früher durch ältere Festplatten und SSDs bedient wurden. Der Artikel gibt einen Überblick zur Spezifikation und schildert, warum sie das Rechenzentrum verändern wird.
SSDs spielen vor allem dann ihre Stärke aus, wenn Sie den NVMe-Standard unterstützen.
NVMe gilt als Grundbaustein für Rechenzentren der nächsten Generation. Um diese Entwicklung zu verstehen, blicken wir zunächst zurück und untersuchen einige neue Anwendungsanforderungen, die durch dieses Protokoll verändert werden. In den letzten Jahrzehnten folgte die Datenspeicherung einem ähnlichen Modell wie die Datenberechnung, das aus einer zentralen Mainframe-Architektur hervorging und sich zu einer Distributed-Client/Server-Architektur entwickelte.

Danach kehrte sie zu einer zentralen, auf Virtualisierung basierenden Architektur zurück und dann wieder zu einer Distributed-Architektur, aufbauend auf Web- und Cloud-basierten Anwendungen. Speichertechnologien wiederum schwankten zwischen direkt angeschlossenen Medien und verteilten Storage Area Networks (SANs), bei denen parallele und serielle Schnittstellen die Daten physisch zwischen CPU und Speichermedium mithilfe von SCSI-Befehlssätzen und SATA/SAS-Protokollen bewegen.

SSDs sorgten für Umbruch
Mit dem Aufkommen von Flash-basierten SSDs setzten Hersteller und Unternehmen zunächst weiterhin auf ältere SATA/SAS-Protokolle, da diese praxiserprobt, kompatibel und nahtlos in bestehende Systeme integriert waren. Trotz niedrigerer Durchsatzleistung und höherer Latenz hat sich im Laufe der Zeit SATA als der gängigste und kostengünstigste Schnittstellenstandard herauskristallisiert. Diese Latenzen sind bei Festplatten hinnehmbar, da die magnetische Aufzeichnung Rotationen erfordert und dadurch ohnehin Suchzeiten entstehen. Bei Flash-basierten SSDs, die Speicherzellen verwenden (und keine Festplattenrotationen und Suchvorgänge), sind SATA-Verzögerungen hingegen inakzeptabel. Letztendlich war das SATA-Protokoll zu langsam, um es in Flash-basierten Speichersystemen zu implementieren und die Vorteile von SSDs voll auszuschöpfen.

Software-Stack für SATA- und SAS-SSDs im Vergleich zu PCIe-SSDs.

Diese SATA-Einschränkungen machten PCI Express (PCIe) zur nächsten logischen Schnittstelle für Speichermedien. Es basierte ebenfalls auf dem für SATA/SAS-Schnittstellen entwickelten SCSI-Software-Stack. Mit PCIe-Slots, die direkt mit der CPU verbunden sind (was einen speicherähnlichen Zugriff ermöglicht) und einem viel kleineren Software-Stack, der darauf läuft (Bild), reduziert die PCIe-Schnittstelle die Datenübertragungs-Latenzzeiten und erhöht die Bandbreite im Vergleich zu herkömmlichen SATA/SAS-Schnittstellen. Obwohl die PCIe-Schnittstelle ein Schritt in die richtige Richtung war, benötigte jede SSD einen eigenen proprietären Treiber, was aufgrund fehlender Standardisierung und zusätzlicher Komplexität sowie Inkompatibilitäten mehr Entwicklungsarbeit für SSD-Anbieter bedeutete.
Und dann kam NVMe
Non-Volatile Memory Express definiert ein Standardprotokoll und einen Treiber für SSDs, die auf NAND-Flash-Speichern basieren. Entwickelt von einem offenen Industriekonsortium führender Speicher-, Netzwerk- und Serverhersteller [1] erhöht die NVMe-Schnittstelle die nichtflüchtige Speicherleistung in PCIe-basierten Servern und SSDs, indem sie den SCSI-Befehlsstapel und DAS-Engpässe (Direct Attached Storage) beseitigt, die mit herkömmlichen HDD-Schnittstellen verbunden sind. Es handelt sich dabei um eine speziell auf Solid-State-Medien abgestimmte I/O-Architektur, die den Schnittstellenballast der Festplatten überflüssig macht. Vom Konzept her bedarf es nur eines Treibers, um mit jeder Standard-SSD arbeiten zu können.

NVMe-konforme SSDs können im Vergleich zu SATA-basierten SSDs eine bis zu 10-mal bessere sequentielle Leseleistung liefern, was eine höhere Auslastung der Anwendungen auf weniger Geräten und mit geringerem physischem Hardware-Aufgebot ermöglicht. Ursprünglich Einsatzszenarien mit hoher Performance und Kapazität vorbehalten (zu hohen Kosten), eignen sich NVMe-basierte SSDs nun auch für Bereiche des Rechenzentrums, in denen bisher nur SATA-basierte SSDs eingesetzt wurden, und schaffen durch die weit verbreitete Nutzung eine Konvergenz von Rechenleistung und Speicherplatz.

NVMe und SSDs
Die NVMe-Spezifikation bringt PCIe-Flash-Speicher auf ein neues Niveau. Sie wurde speziell für nichtflüchtigen Solid-State-Speicher konzipiert. Sie umfasst eine optimierte Speicherschnittstelle, einen Befehlssatz und ein Warteschlangendesign, das für die heutigen virtuellen Betriebssysteme gut geeignet ist. Auch die direkte Verbindung zur CPU (über den PCIe-Bus) optimiert den Speichergeräte-Stack und bietet eine höhere Leistung als herkömmliche SATA/SAS-Schnittstellen. Infolgedessen unterstützen alle großen Serverhersteller NVMe-basierte U.2-SSDs (2,5-Zoll-Format), deren Verkaufszahlen die von SATA-basierten SSDs bald übertreffen werden.

Tabelle 1 zeigt typische Spezifikationen für SSD-Medien, darunter SATA, SAS, PCIe und NVMe, die führende Western Digital SSD-Marken bieten (in Klammern). SSDs, die auf der NVMe-Spezifikation basieren, liefern die beste IOPS- (I/O-Operationen pro Sekunde) und Bandbreitenleistung sowie die höchsten Kapazitätsbereiche.

Tabelle 1: Typische SSD-Schnittstellenspezifikationen

Spezifikation

SATA-SSD
(Ultrastar DC SA620)

SAS-SSD
(Ultrastar DC SS300)

PCIe-SSD

(SanDisk Fusion-io SX350)

NVM SSD
(Ultrastar DC SN260)

Maximale Lese-Geschwindigkeit (IOPS)

75.000

400.000

345.000

1.200.000

Maximale Schreib-Geschwindigkeit (IOPS)

32.000

200.000

385.000

200.000

Seq. Lesen – Bandbreite (max.)

530 MB/s

2,1 GB/s

2,8 GB/s

6,17 GB/s

Seq. Schreiben – Bandbreite (max.)

460 MB/s

2,05 GB/s

2,2 GB/s

2,2 GB/s

Kapazitätsbereich

400 GB - 1,6 TB

400 GB - 7,68 TB

1,3 GB - 6,4 TB

1,6 TB - 7,68 TB

Leistung (Watt)

9 W

9 W, 11 W oder 14 W

20 W

25 W


Tabelle 2 vergleicht die wichtigsten Merkmale des SATA-Protokolls auf Basis des Advanced Host Controller Interface (AHCI) mit dem PCIe-Protokoll und der NVMe-Spezifikation.

Tabelle 2: Funktionsvergleich von SATA und PCIe mit NVMe

Merkmal

SATA (AHCI)

PCIe (NVMe)

Maximale Warteschlangentiefe (Queue Depth)

1 Warteschlange;
32 Befehle pro Warteschlange

65.536 Warteschlangen;
65.536 Befehle pro Warteschlange

Registerzugriffe (uncacheable)
(je 2.000 Zyklen)

6 proBefehl ohne Queueing;
9 pro Befehle mit Queueing

2 pro Befehl

Nachrichtensignal-Interrupts (MSI-X)

Einzelner Interrupt

2.048 MSI-X Interrupts

Interrupt-Steuerung?

Nein

Ja

Parallelität und mehrere Threads

Benötigt eine Sync-Suche, um einen Befehl auszugeben

Kein Suchen erforderlich

4 kB Befehlseffizienz

Befehlsparameter erfordern zwei serialisierte Host-DRAM-Abrufe

Befehlsparameter benötigen nur einen 64-Byte Fetch


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31.10.2018/ln/Anand Jayapalan, Vice President of Enterprise and Client Compute Solutions Marketing bei Western Digital

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