2014: SSDs, Hybrid-Lösungen und Tiered-Storage-Architekturen im Trend

Das kontinuierliche Datenwachstum wird sich auch in diesem Jahr nicht abschwächen. Damit verbunden wird es immer schwieriger, die Daten zu verwalten und schnelle Zugriffszeiten sicherzustellen. Neue Speichertechnologien und -strategien sind somit gefragt. Zwei Trends zeichnen sich ab: im Consumer-Umfeld die verstärkte Nutzung von SSDs und Hybrid-Lösungen und in Unternehmen der Einsatz von Tiered-Storage-Lösungen. [...]

Die rapide Zunahme an digitalen Informationen bei Privatanwendern und Unternehmen hält weiter an. Nach Schätzungen des Marktforschers IDC wird sich die weltweit installierte Storage-Kapazität von rund 2.600 Exabytes 2012 bis 2017 fast verdreifachen.

Für Privatanwender werden die preisgünstigen traditionellen HDDs der De-facto-Standard in PCs und Notebooks bleiben. Der Preisrückgang bei SSDs mit NAND-Flashspeicher wird allerdings auch zu einer verstärkten Nutzung solcher Speicherlösungen führen, denn der Nutzen liegt auf der Hand. Da die SSDs keine beweglichen mechanischen Teile besitzen, arbeiten sie zumindest beim Lesen der Daten erheblich schneller als herkömmliche Festplatten. Schließlich müssen sie den Schreib-Lesekopf zum Einlesen der Daten nicht erst in Position bringen. Der höhere Input/Output pro Sekunde (IOPS) und niedrigere Bootzeiten sind wesentliche Argumente für die SSD-Technologie.

SSD ist allerdings nicht gleich SSD. Bei den SSD-Lösungen mit NAND-Flashspeicher sind im Wesentlichen drei Typen zu unterscheiden: SLC (Single Level Cell)-, MLC (Multi Level Cell)- und TLC (Triple Level Cell)-Speicherzellen. Sie können jeweils ein, zwei beziehungsweise drei Bit pro Zelle speichern. Je höher die Anzahl der Bits pro Zelle ist, desto geringer sind auch die Kosten pro GB. Deshalb werden vor allem auch MLCs und TLCs künftig zunehmend Marktanteile gewinnen, besonders in Bereichen wie der Unterhaltungselektronik.

Generell sollte bei der Nutzung von NAND-Speichern aber berücksichtigt werden, dass die SLC-Technologie zwar höhere Kosten pro Byte als MLC- und TLC-Lösungen mit sich bringt, allerdings auch eine bessere Performance bietet. Wenn die Anzahl der Dies (NAND-Chips) höher ist, wird auch die Laufwerksperformance durch parallele Verarbeitungsprozesse erheblich verbessert.

Nicht außer Acht lassen darf man zudem, dass auch die Lebensdauer der SSDs prinzipiell geringer ist als die von herkömmlichen Festplatten. Letztere können nämlich beliebig oft gelöscht und neu beschrieben werden. Bei Flash-Speicherzellen hingegen ist die Zahl der Lösch- und Schreibprozesse begrenzt, und zwar abhängig von der Anzahl pro Zelle gespeicherter Bits. Typischerweise liegt die Lebensdauer von Speicherzellen bei Single-Level-Cells bei 100.000 Zyklen, bei Multi-Level-Cells bei 5.000 Zyklen und bei TLCs bei 1.000 Zyklen.

Neu auf dem Markt sind Hybrid-Laufwerke, so genannte Solid State Hybrid Drives (SSHDs) mit HDDs und NAND-Flashspeicher, die die Vorteile eines geringen Preises und einer langen Lebensdauer miteinander kombinieren. Sie enthalten einen NAND-Cache, der verbesserte Schreib- und Lesegeschwindigkeiten bietet. Mittels selbstlernender Algorithmen wird kontinuierlich das Anwenderverhalten beim Datenzugriff analysiert. Auf Basis dieser Analyse werden Daten, die häufig genutzt werden, auf dem nichtflüchtigen NAND-Chip abgelegt, um einen schnellen Zugriff zu ermöglichen. Umgekehrt werden Daten, die seltener verwendet werden, vom NAND-Chip auf die HDD für die langfristige Speicherung verlagert. Das ermöglicht erhebliche Performance-Verbesserungen, zum Beispiel beim Booten des PC. Insgesamt betrachtet erreichen solche Laufwerke damit eine Performance, die auf SSD-Niveau liegt. Sie werden vor allem im Consumer-Umfeld künftig zunehmend Verbreitung finden.

TIERED-STORAGE
Im Zuge des steigenden Speicherbedarfs und der Notwendigkeit schnell auf Daten zugreifen zu können, werden Unternehmen in ihren Rechenzentren in Zukunft verstärkt Tiered-Storage-Architekturen einsetzen, deutlich zeigt sich das schon heute vor allem bei Cloud-Service-Providern. Die Lösungen basieren auf einer Kombination von HDD- und SSD-Storage-Technologien. Ihr zentraler Vorteil liegt im automatisierten Datenmanagement, das heißt Daten werden auf unterschiedlichen Ebenen und Plattentypen gesichert, und zwar in Abhängigkeit von den Anforderungen hinsichtlich Kosten, Performance, Verfügbarkeit, Sicherheit oder Datenbereitstellung (Recovery Time Objective).

Eine zukunftssichere Tiered-Storage-Architektur besteht aus vier Ebenen. Auf Tier 0 sollten neue Enterprise Solid State Drives (eSSDs) eingesetzt werden, die Hochverfügbarkeit und einen sehr hohen Datendurchsatz bieten. Sie sind geeignet für die unternehmenskritischen Informationen, die einen unmittelbaren Datenzugriff erfordern: zum Beispiel Datenbanken oder E-Mail-Konten. Tier 1 bietet sich für die Daten an, auf die häufig zugegriffen werden muss. Es empfehlen sich SAS-HDDs der Highend-Klasse mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 15.000 rpm. Tier 2 sollte für Anwendungen mit direktem Speicherzugriff genutzt werden, die eine hohe Kapazität erfordern. Ideal geeignet sind hier schnelle SAS-HDDs mit 10.000 rpm. Der vierte und letzte Layer im Bereich Enterprise Storage umfasst geschäftskritische Daten, die zwar nicht täglich benötigt werden, die aber gespeichert und archiviert werden müssen. Es empfehlen sich Nearline-HDDs mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 7.200 rpm.

Die Vorteile eines solchen Systems sind weitreichend. Toshiba-Berechnungen am Beispiel einer 300 TB großen Storage-Architektur zeigen das deutlich. So bietet hier eine Tiered-Storage-Lösung im Vergleich zu einem herkömmlichen rein HDD-basierten Ansatz eine Performance-Verbesserung im Hinblick auf den IOPS-Wert um annähernd das 7,5-Fache. I/O-Bottlenecks können damit entscheidend reduziert werden. Außerdem werden bei einem mehrstufigen Storage-System rund zwei Drittel weniger Laufwerke benötigt und der Energieverbrauch wird um rund 55 Prozent vermindert.

Insgesamt betrachtet werden sich angesichts des Wachstums des digitalen Universums und der steigenden Anforderungen im Datenmanagement sowohl Privatanwender als auch Unternehmen neuen Herausforderungen im Storage-Umfeld stellen müssen. Mit SSDs und Hybrid-Technologien einerseits sowie Tiered-Storage-Architekturen andererseits stehen hier Lösungen zur Verfügung, mit denen auch die weitere Datenexplosion effizient und kostengünstig zu bewältigen ist.

* Paul Rowan ist General Manager Storage Products und Nick Spittle ist General Manager Product Management bei Toshiba Electronics Europe