Die hoch gelobten Flash-Laufwerke halten Einzug in den Markt der Disk-Arrays. Robust, extrem schnell und mit geringem Stromverbrauch passen sie vor allem in transaktionsintensive Umgebungen. Allerdings verläuft der Siegeszug eher schleppend. Nicht zuletzt der Preis macht sie zum Nischenprodukt; auch die begrenzte Lebensdauer drückt aufs Anwendergemüt.

von Ulrike Rieß

Bereits im Jahr 2008 stellten Speichergrößen wie EMC, HDS und IBM Disk-Systeme mit integrierten Flash-Laufwerken vor. Konzipiert für die Marktsegmente Enterprise beziehungsweise High-Computing sollen sie vor allem Grid-Architekturen entzerren. Allerdings reagiert der Markt derzeit eher verhalten auf die viel versprechende Technologie. Der schleppende Siegeszug wirft die Frage auf, wie viel Potenzial in den so genannten Solid-State-Drives steckt und ob sich dieses Speichermedium bis in den Midrange-Markt durchsetzen kann.

Die Technik

Flash-Laufwerke bestehen aus nichtflüchtigem NAND-Flash-Speicher und werden in Standard-3,5-Zoll-Gehäusen verbaut. NAND bezeichnet die serielle Anordnung der Speicherzellen. Auf Grund ihrer etwa 25fach höheren I/O-Rate bei Lesezugriffen im Vergleich zu FC-Festplatten mit 15.000 U/min eignen sich Flash-Laufwerke für alle Anwendungen, die konstant niedrige Antwortzeiten benötigen. Aber auch ihre vier- bis sechsfach schnellere I/O-Rate bei Schreibzugriffen können entsprechende Anwendungen spürbar beschleunigen.

SSDs bestehen aus drei oder vier Hauptbaugruppen: der Schnittstelle, dem Cache, dem NAND-Speicher und meist einer NAND-Zusatzkapazität. Als Schnittstelle findet im 3,5-Zoll-Format meist Fibre-Channel mit vier Gbit/s Verwendung. Spezielle Ausführungen verfügen auch über die neue 6-Gbit-SAS-Schnittstelle, die allerdings zum größten Teil dem 2,5-Zoll-Format vorbehalten bleiben wird. Der NAND-Speicher ist das Medium der Flash-Laufwerke, stellt also die eigentliche Speicherkapazität bereit. In jeder Zelle dieses Mediums wird ein Bit abgelegt. Der Cache besteht aus flüchtigem, allerdings nochmals schnellerem Speicher als das NAND-Medium, beschleunigt den Zugriff auf die gespeicherten Informationen also nochmals. Darüber hinaus wird er benötigt, um die für das LRU-Verfahren (Least Recent Used) benötigte Reorganisationszeit bei Schreibzugriffen gegenüber der Schnittstelle zu egalisieren.

Durch dieses spezielle Speicherverfahren fallen Spindeln und mechanische Prozesse weg und die Technik ist robuster als herkömmliche Festplatten. Die hohe I/O-Geschwindigkeit ließe sich mit den anderen Laufwerken nur durch eine Grid-Architektur erreichen, die wiederum nicht die gesamte Speicherkapazität ausnutzen kann. Das Design macht SSDs äußerst robust und stoßsicher, was geringeren Entwicklungsaufwand gegen Vibrationseinflüsse nach sich zieht. Zudem verbrauchen sie weitaus weniger Strom als ihre rotierenden Gegenstücke.

Geeignet für Hochleistungs-Umgebungen

In Zahlen ausgedrückt erzielen Flash-Laufwerke zwischen 7.000 und 9.000 lesende und zwischen 650 und 950 schreibende I/Os pro Sekunde, was FC-Drives regelrecht langsam erscheinen lässt. Mit dieser Leistung erreicht eine RAID-5-Gruppe aus sieben plus einem (7+1) Flash-Laufwerken eine höhere Gesamtleistung als acht RAID-5-Gruppen gleicher Größe aus FC-Festplatten mit 15.000 U/min. Da es keine mechanischen Teile und somit auch keine Suchzeiten für Schreib/Lese-Köpfe gibt, wird die Leistung nicht mehr durch das Laufwerk selbst, sondern nur durch die Kapazität der Backend-Schnittstelle begrenzt. Die RAID-5-Gruppe aus 7+1 Flash-Laufwerken kann über 40.000 lesende und über 8.000 schreibende I/Os bei einer konstanten Zugriffszeit von unter 2 ms erzielen. Acht FC-RAID-Gruppen lesen bei 10.000 I/Os bereits mit etwa 7-10 ms; bei 30.000 I/Os mit 15-20 ms, darüber hinaus werden die Lieferzeiten für eine Produktionsumgebung unbrauchbar.

Um das Optimum aus einer SSD-Lösung herauszuholen, bieten sich je nach Controllertyp Konfigurationen in Gruppen zwischen 3+1 und 7+1 Einheiten an. Kleinere Gruppen, also 2+1 oder gar RAID-1 wären schiere Verschwendung und ergeben keinerlei Leistungssteigerung, größere Gruppen könnten mehr I/O-Last erzeugen, als der Bus bewältigen kann, und wären somit ebenso Verschwendung. Ebenso ist RAID 6 in einer solchen Konstellation nicht empfehlenswert.

Neue Maßstäbe für Anwendungen

In den ersten Tagen der Flash-Technologie hoben alle Anbieter die hohe Leseleistung der Laufwerke hervor und boten diese damit vor allem auf dem Gebiet der Transaktionsprogramme und Datenbanken an. Im Laufe der Anwendung hat sich allerdings gezeigt, dass dieser Speichertyp annähernd alle Applikationen um mehrere Faktoren beschleunigen kann und damit völlig neue Zeitschemata in der Produktion ermöglicht. Da die meisten Subsysteme und Enterprise-Arrays über einen Cache verfügen, durch den schreibende und lesende I/Os gepuffert werden, zeigen sich die Vorteile der Flash-Technologie natürlich vor allem in Bereichen mit »cache miss«-Lesevorgängen. Bei diesen Lesevorgängen muss der Inhalt eines I/Os direkt vom Medium geladen werden. Hier erreicht ein solches Laufwerk bis zum 25fachen der Leistung einer vergleichbaren FC-Festplatte. Sobald der Cache ins Spiel kommt, also bei sequentiellen Lese- oder allen Schreibvorgängen, relativiert sich diese Leistung spürbar. Dann hilft die Geschwindigkeit des Mediums vor allem bei »sekundären« Vorgängen: Der Schreib-Cache wird schneller auf die Medien entladen, somit wird der maximale Füllgrad des Speichers langsamer erreicht. Sollte der maximale Füllgrad des Schreibcaches doch einmal erreicht werden, wird dieser schneller entleert und das System steht schneller wieder zur Verfügung.

Am meisten profitieren beispielsweise Mainframe-Umgebungen, Direktbanken, High-Performance-Computing im Forschungsumfeld oder riesige Online-Datenbanken von Disk-Arrays mit Flash-Technologie. Alle Anwendungen, die stets und schnell verfügbar sein müssen, gewinnen mit dem Einsatz entsprechend ausgerüsteter Systeme.

Lebensdauer, Preis und Kapazität sind Mankos

Schnelle Reaktionszeiten, weniger Energieaufwand und geringe Hitzeentwicklung sprechen zwar für den Flash-Speicher, allerdings gibt es auch eine Kehrseite der Medaille. Auf dieser sind Limitierungen im Bereich Kapazität und Lebensdauer zu finden, ebenso hohe Investitionszwänge.

Hersteller geben derzeit eine Lebensdauer um die 200.000 Schreibzyklen pro Zelle an, jedoch wird die Lebenszeit des Laufwerkes durch spezielle Maßnahmen deutlich verlängert. Zum einen werden die Daten nicht, wie bei Festplatten üblich, auf dieselben Medienabschnitte geschrieben, aus denen sie gelesen wurden. Vielmehr wird die jeweils am seltensten beschriebene Zelle genutzt (LRU). Somit verteilen sich schreibende I/Os paritätisch über das gesamte Medium. Trotz dieser Maßnahme »ermüdete« Zellen werden durch neue aus überzähliger Kapazität ersetzt und verlängern so die Lebenszeit des Laufwerkes nochmals. Heute ergeben sich so in Labortests MTBPR (Mean Time Between Part Replacement), die länger sind als die der vergleichbaren FC-Platten. Allerdings sind dies Werte aus dem Reinraum. Wirklich verlässliche Zahlen wird erst die Praxis erbringen. Generell ist die Lebenserwartung einer SSD eben um einiges kürzer als die vergleichbarer HDDs.

Ein weiterer Nachteil des neuen Speicherlieblings ist die Kapazität. Bislang liegt das Speichervolumen eines Flash-Mediums zwischen 16 und 400 GByte. Das entspricht zwar dem Volumen einer FC-Platte, ist aber eben das derzeitig technisch Machbare. Somit ist der EDV-Verantwortliche immer gezwungen, sich bei der Wahl von Disk-System und Drives zwischen Performance oder Kapazität zu entscheiden. Allerdings gibt es auch hier Misch-Optionen, die SSDs mit hochkapazitären Disks verbinden und so eine kleine Hintertür offen lassen.

Daraus folgt, dass eine komplette Ausrüstung eines Speicherarrays mit Flash-Laufwerken mit der heutigen Schnittstellen-Technologie nicht zu empfehlen ist. Erzeugt eine RAID-5-Gruppe (7+1) ca. 40.000 I/Os, so ist die Kapazität aktueller 4-Gbit/s-ASICs erschöpft. Darüber hinaus ergeben Untersuchungen von Produktionsspeicherbeständen fast durchgehend eine Verteilung der I/O-Last von zwei Dritteln für SATA-geeignete Daten, einem knappen Drittel für FC-geeignete Daten und zwei oder maximal vier RAID-Gruppen für Flash-geeignete Daten. Ist nun das Speichersystem noch mit einem Automatismus oder wenigstens einer manuellen Möglichkeit zur transparenten Bewegung von LUNs zwischen den Speicherklassen ausgerüstet, sollte eine solche Konfiguration annähernd alle Speicheransprüche befriedigen. Bei gleicher Kapazität muss ein solches System mit wesentlich weniger Laufwerken ausgestattet werden, nimmt erheblich weniger Leistung auf und gibt entsprechend weniger Wärme ab - und das alles bei deutlich höherer I/O-Zahl.

Der wohl größte Haken der Flash-Technologie ist noch immer der Preis. Dieser liegt zwar mit dem sieben- bis achtfachen im Vergleich zu gleich großen FC-Laufwerken nicht mehr so gigantisch hoch wie noch Ende 2007, als die Hersteller das 20-30fache verlangten. Er schreckt allerdings Hersteller und Anwender von Midrange-Systemen noch immer ab und macht die bewährten FC oder SAS-Platten zum weitverbreiteten Mittel der Wahl in punkto Performance.

Das Disk-Array von Morgen

Im Bereich der Midrange- und Unternehmensspeichersysteme ließ sich für Medien niemals ein so rapider Preisverfall beobachten wie für Flash-Laufwerke. Innerhalb eines Jahres fielen die durchschnittlichen Kosten um mehr als 75 Prozent. Sollte dies anhalten - und alle Zeichen deuten darauf hin - dann könnten Ende 2010 für FC und Flash die gleichen Preise stehen. Ebenso steigen die Kapazitäten der Flash-Laufwerke mit einer Geschwindigkeit, wie sie bei kaum einem anderen Medium zu verzeichnen waren: 73 GB, 146 GB, 200 GB und 400 GB - alle innerhalb eines Jahres. Für 2009 stehen 600 GByte an, im Laufe des nächsten dann die TByte-Flash-Disk. Zusammen mit dem Preisverfall wird dies eine eindeutige Kampfansage an die FC-Technologie bedeuten. Somit werden sich Anwender spätestens in zwei Jahren nicht mehr zwischen SATA, FC und Flash, sondern zwischen SATA, SAS und Flash entscheiden können. Spätestens dann wird auch der Sprung von 3,5 Zoll auf 2,5 Zoll und noch kleinere Formate vollzogen werden. In Schränke, die heute für 250 Platten ausgelegt sind, werden dann 700 oder mehr Einschübe hineinpassen. Nicht zu vergessen der grüne Aspekt, der mit einem geringen Stromverbrauch und weniger Abwärme quasi automatisch mit erworben wird.

Noch macht sich der Einsatz von Flash-Laufwerken nur in wirklich großen Installationen mit entsprechenden Anwendungen bezahlt. Wo es auf jede Minute ankommt, um mehr Kunden bedienen zu können, also beispielsweise in Direktbanken, Internetshops oder Bestellsendern, werden sich entsprechende Investitionen innerhalb kürzester Zeit amortisieren. Die große Zahl kleiner und mittlerer Anwender, die gerade zurzeit mit jedem Euro rechnen müssen, sollte noch mindestens ein Jahr warten und auf die weitere Preisstürze hoffen. Spätestens 2010 wird die Flash-Technologie dann Massenware sein, wie heute SATA, SAS oder FC.