NVMe: Ein „epochaler Schritt“ für Speicher-Architekturen

am 06. August 2018
SSDs werden seit Anfang der 2000er-Jahre immer häufiger in Storage-Landschaften eingesetzt – oft in hybriden Umgebungen in Kombination mit klassischen HDDs. Zwar beschleunigen SSDs schon jetzt den Speicherzugriff erheblich, aber mit NVMe (Non-Volatile-Memory-Express) werden nicht nur noch schnellere Speicher-Zugriffe möglich, sondern auch eine optimale Unterstützung von Storage-Systemen in virtualisierten Umgebungen.

Was auf den ersten Blick wie ein simples Protokoll für die Anbindung von SSDs an Server und System aussieht, wird nach Einschätzung von Michael Homborg, Storage-Experte bei Fujitsu Deutschland, enorme Auswirkungen auf zukünftige Speicher-Architekturen haben: "Wir erleben ja schon seit einigen Jahren eine grundlegende Veränderung der Speicherlandschaften", sagt der Fujitsu-Manager. Immer öfter würden klassische Festplatten mit SSDs kombiniert oder gleich vollständig ersetzt. "Der Einsatz von NVMe markiert einen epochalen Schritt, denn damit wird der Zugriff auf SSDs, respektive die zugrundeliegende Flash-Technologie, endlich optimal gestaltet."

Besonders in virtualisierten Umgebungen, ebenso wie in Software-definierten und hyperkonvergenten Infrastrukturen, würde das zu einer erheblichen Leistungssteigerung führen. "Mit NVMe rückt das Storage ganz nah an die CPU", sagt Homborg. Und dabei ginge es nicht allein um den Geschwindigkeitsgewinn: Mit NVMe wird es möglich, für virtuelle Maschinen und Applikation in virtualisierten Umgebungen einen direkten Zugriff auf den SSD-Speicher innerhalb des Servers performanter zu gestalten als über ein zentrales Storage-System. Was wiederum dramatische Folgen für die Neugestaltung der RZ Infrastruktur bedeuten kann.

Auch Priorisierung auf Applikationsebene möglich

Bisher werden SSDs von den Schnittstellen-Protokollen ausgebremst. Denn die gängigen Schnittstellen für Festplattenspeicher SAS (mit dem SCSI-Protokoll) und SATA (AHCI-Protokoll) sind für klassische, "rotierende" Festplatten geschrieben. Nicht nur enthalten sie in ihrem Befehlssatz einen großen Teil "Protokoll-Overhead", der sich etwa auf die Anzahl der Spuren, Schreib-Leseköpfe oder Sektoren rotierender Magnetplatten bezieht. Auch vor dem Hintergrund, dass Server heute auf Multi-Prozessor und Multi-Core-Architekturen basieren, sind SAS und SATA mit ihren Single-Command-Queues auf den Einsatz in virtualisierten und containerisierten Umgebungen nicht ausgerichtet.

Heute laufen oft Hunderte von Applikationen auf einem Server, die sich mit den etablierten Protokollen gleichsam einen einzigen Kanal für den Speicherzugriff teilen müssen. Eine Priorisierung auf Applikationsebene ist schlechthin nicht möglich - auch nicht, wenn statt ferro-magnetischer, rotierenden Festplatten SSDs eingesetzt werden. Hier schafft NVMe Abhilfe: Mit bis zu 65,535 I/O (Input-Output) Queues mit jeweils 64 KB Befehlsspeicher lassen sich in einem QoS-Ansatz (Quality of Service) die Speicherzugriffe einzelner virtueller Maschinen oder Applikationen steuern.

Zugriffszeiten lassen sich um Faktor zehn reduzieren

Neben dieser "Parallelisierung" der Speicherzugriffe bringt NVMe ein deutliches Plus an Geschwindigkeit durch den reduzierten Befehlssatz. Durch den Wegfall von SATA- oder SAS- Befehlen bei den Schreib/Lese-Operationen konnte der Protokoll-Stack um knapp 2/3 "entschlackt werden". Die Zugriffszeit sinkt - in Abhängigkeit vom Betriebssystem und der eingesetzten Hardware - massiv. Nach Berechnungen von Fujitsu wird es zukünftig möglich sein, die Zugriffszeiten mit entsprechender Hardware in NVMe-optimierten Umgebungen bis zum Faktor zehn zu reduzieren. Gleichzeitig steigt die Bandbreite bei der Übertragung um Faktor drei bis fünf.

Die gute Nachricht: NVMe kostet nichts extra! Denn weil der Anschluss über den PCIe-Bus erfolgt, der heute in quasi allen gängigen Servern verfügbar ist, lassen sich schon jetzt SSDs über NVMe anschließen. Nicht zufällig erinnert das "e" in NVMe (Non-Volatile-Memory-Express) an denselben Buchstaben in PCIe (Peripheral Component Interconnect Express). Das bedeutet natürlich nicht, dass der Umstieg von SATA oder SAS per se kostenlos ist: Jede Änderung der IT-Infrastruktur - zumal an einer so entscheidenden Schnittstelle zwischen Server- und Storage-Systemen - ist de facto mit einem erheblichen Umstellungsaufwand verbunden.

Besonders interessant für Anwender Software-definierter Systeme

Die Infrastruktur-Architekten werden deshalb wohl auch nicht sofort in ihre Rechenzentren stürmen um die SSDs umzustöpseln - und das macht auch keinen Sinn: "NVMe bietet zweifelsfrei erhebliche Vorteile, dennoch sollte in jedem Einzelfall gründlich geprüft werden, welcher Aufwand für den Umstieg anfällt und ob er sich lohnt - das ist immer abhängig vom Use-Case", sagt Fujitsu-Storage-Experte Homborg. Bei der Neuanschaffung und Inbetriebnahme neuer Hardware allerdings sei NVMe in den meisten Fällen wohl die bessere Wahl. Gerade im Hinblick auf zunehmend virtualisierte, hybride IT-Landschaften lohne es sich, auf NVMe zu setzen, um die IT-Landschaft offen für zukünftige Modernisierungen zu halten.

Den größten Gewinn aber zögen Anwender, die hyperkonvergente und Software-definierte Systeme einsetzten. Hier spiele NVMe seine Vorteile am deutlichsten aus. Fujitsu biete schon mit seiner aktuellen PRIMERGY-Server-Serie die Möglichkeit, SSDs via NVMe anzuschließen. "Wir halten NVMe für eine Schlüsseltechnologie und einen entscheidenden Schritt beim Aufbau moderner Speicherinfrastrukturen. Dem tragen wir Rechnung, indem wir in der nächsten Server-Serie auch PRIMERGY Varianten anbieten werden, die "All Flash - All NVMe - All hot-plugable" ausgestattet werden können, so dass die Vorteile bei der Wartung mit dem technischen Fortschritt bei den SSDs konsequent kombiniert werden können", verspricht der Fujitsu-Manager.

NVMe wird langfristig sicher nicht auf den Bereich der SSD-Speicher beschränkt bleiben. Viele Experten halten NVMe für eine bahnbrechende Technologie, die über die Speicherlandschaft hinaus zukünftige System- und Netzwerk-Architekturen verändern wird. Wir werden deshalb in loser Folge in weiteren Artikeln sowohl die NVMe-Technologie als auch deren Auswirkungen auf die System- und Netzwerk-Landschaften einer genaueren Betrachtung unterziehen.