Beheer

Storage
Flashgeheugen

De toekomst is aan ‘all flash’

De opvolger van de SSD staat al te trappelen in de coulissen. Wat te doen? Eerst kiezen voor SSD of direct door naar flash-arrays?

1 maart 2016

Het grote voordeel van Solid State Disks (SSD’s) is dat ze de opgeslagen gegevens heel snel kunnen spuien. Dit maakt ze ideaal in ­situaties waar data in een fractie van een seconde beschikbaar moeten zijn , denk aan webwinkels of elektronische handelssystemen. Waar de snelheid het allerhoogst scoort is een hoge aankooprijs en een wat lagere opslagcapaciteit van de SSD niet zo’n probleem. Valt de snelheidseis weg, dan tikken de kosten wel aan en zullen mensen ­geneigd zijn om daar van de aloude harde schijf (naar het Engels gewoonlijk afgekort tot HD) gebruik te maken. Nu nog tenminste.

Opslagsystemen zijn doorgaans in twee of drie lagen (tiers) verdeeld. Aan de bovenkant, waar de meeste snelheid nodig is, zit een batterij SSD’s, daaronder staan de HD’s. Helemaal ­onderaan – het archiefdeel – staat een reeks tapedrives dan wel langzame disks. Op die ­manier wordt geprobeerd om met zo min ­mogelijk geld een optimale opslagomgeving in te richten.

De indeling in de lagenstructuur verschuift echter. Was vroeger alleen de bovenste 2 procent gevuld met SSD’s, tegenwoordig gaat dat meer naar de 10 à 20 procent. In de komende jaren zal het aandeel SSD’s alleen maar groter worden. SSD’s worden qua aanschaf gestaag goedkoper. Ook neemt de capaciteit per individuele SSD toe, zodat de prijs per terabyte eveneens afneemt. Dit is de Capital expenditure (Capex), maar we hebben ook nog te maken met de Operational expenditure (Opex), ofwel de kosten om een opslagelement draaiende te houden.

Daar legt de HD het af tegen de SSD. Een SSD vraagt alleen energie op het moment dat gegevens worden geschreven of gelezen, terwijl een HD al stroom nodig heeft als hij alleen maar aan staat. “Tel je alles bij elkaar op, dan kan een flash-geheugen toe met 9 à 10 procent van de energie die een harde schijf nodig heeft. Vooral in grote rekencentra tikt zo’n verschil hard aan”, zegt Alex McMullan, CTO van ­PureStorage.

Als alle kosten bij elkaar worden genomen, blijkt dat de kosten van een SSD rap dalen. Dit jaar is een SSD nog ongeveer twee keer zo duur als een HD, berekend over een gebruiksperiode van vier jaar. Dat is een wat willekeurige termijn, want de slijtage van een HD en een SSD is sterk verschillend. Een SSD kan met ­gemak tien jaar mee, een HD kan al na twee tot drie jaar de geest geven.

Critici zeggen dat flash slechts een tijdelijk opslagmedium is. De geheugencellen verslijten in de loop van hun gebruik en op een gegeven moment kun je helemaal geen gegevens meer opslaan. McMullan: “Dat gold wellicht voor de eerste generatie flash-chips, tegenwoordig is het met die ­levensduur heel wat beter gesteld. Wij gebruiken in onze all flash opslagsystemen speciale software die de slijtage van de geheugencellen tot een minimum beperkt. Elke zes maanden komt er trouwens weer een nieuwe generatie chips op de markt, met steeds betere eigenschappen. De slijtage wordt op zich al steeds minder.” Ook timmert Pure Storage aan de weg met zijn Evergreen-lijn, bestaande uit opslagproducten die niet doorlopend vervangen hoeven te worden. “De storage die je hebt staan, blijft gewoon actief, waar nodig worden nieuwe modules bijgeplaatst om tegemoet te ­komen aan toegenomen opslageisen. We ­ontlopen daarmee de noodzaak tot recycling, wat in het geval van SSD’s toch weinig oplevert. Met de chips zelf (het silicium) kun je niets, hooguit de gebruikte edelmetalen ­kunnen worden teruggewonnen.”

Het omslagpunt ligt ergens volgend jaar. Dan is naar verwachting een SSD even duur in gebruik als een HD, nog steeds gerekend over een periode van 4 jaar. Bij de berekening wordt rekening gehouden met energieverbruik van de systemen zelf, energie die nodig is voor koeling, onderhoudskosten en het opslaan van reserve-onderdelen in een magazijn. Daarna gaat het hard, want in 2020 is het gebruik van HD’s ruim zeven keer duurder dan de inzet van SSD’s. Tegen die tijd zal het aantal harde schijven dat nog wordt verkocht sterk zijn ­geslonken.

SSD tijdelijke oplossing

De SSD heeft echter zelf ook beperkingen, omdat het zich voordoet als een HD. “Die Solid State Disk is een verpakking van flash-geheugen die geheel is geënt op de eigenschappen van de harde schijf. Een SSD moet – als het goed is – zo in de plaats van een HD in een systeem kunnen worden geschoven. Met een SSD haal je best mooie resultaten, bijvoorbeeld een hogere snelheid en een lager energieverbruik, je haalt echter niet het onderste uit de kan”, aldus McMullan.

Wanneer de HD uit het lagenmodel verdwijnt, is het niet meer nodig dat een SSD zich als HD vermomt. De chips kunnen gewoon rechtstreeks als geheugenbank worden aangesproken, zonder rekening te houden met de vertraging die lezen van en schrijven naar een harde schijf verordonneert. Zo’n pure geheugenbank wordt een flash-array genoemd. Het principe is niet nieuw. Veertig jaar geleden timmerden de makers van mainframes al aan de weg met wat toen een RAM-disk werd genoemd. Dat was een grote kast vol geheugenchips om gegevens op te slaan. Nadeel van die RAM-disks was wel, dat de voedingspanning doorlopend aanwezig moest zijn; anders raakten de chips hun inhoud kwijt. Tegenwoordige flash-arrays zijn gevuld met chips die hun inhoud ook bewaren als er geen voedingspanning meer aanwezig is, net zoals bij de SSD’s.

Dilemma

Voor de beheerders van opslagsystemen komt er een uitdagende tijd aan. Zij zullen zich namelijk moeten afvragen welk type opslagsysteem ze gaan aanschaffen en hoe de bestaande systemen moeten worden uitgefaseerd. Ook speelt mee, dat er in het magazijn nog een voorraad reserve-onderdelen aanwezig moet zijn. Met daarbij het beantwoorden van vragen als “hoeveel disks en hoeveel SSD’s moeten we in voorraad hebben?” en “kan de leverancier snel leveren als we plotseling disks van welk type dan ook moeten vervangen?”

Het juiste aantal spare parts kan niet van buitenaf worden aangegeven. Per organisatie zal moeten worden geteld hoe vaak in de afgelopen jaren disks vervangen moesten worden. Het lijkt veilig om dat te extrapoleren naar de komende paar jaar, omdat de kwaliteit van de diskdrives wel steeds hoger wordt. Zijn in de afgelopen vijf jaar honderd disks vervangen, dan zou een voorraad van honderd disks voor de komende vijf jaar voldoende moeten zijn. Maar wellicht is het beter om het per jaar te rekenen, want stel je voor dat de HD over drie jaar uitgebannen wordt?

Veranderend aanbod

Op de opslagmarkt is sprake van twee groepen producenten. De eerste valt onder de zogeheten ­‘legacy’, fabrikanten die als sinds jaar en dag opslagsystemen aanbieden. De tweede groep omvat
de nieuwkomers, bedrijven die nog maar kort actief zijn op de markt.

Legacy-leverancies en uitdagers op de storagemarkt

Vooral Pure Storage en Tegile worden door gebruikers vaak genoemd als het gaat om de leverancier van toekomstige opslagsystemen. Pure Storage heeft nu een marktaandeel van circa 4 procent; dat gaat naar verwachting stijgen tot 17 procent, Tegile stijgt van ongeveer 1,5 procent naar 8 procent marktaandeel. De groei van de nieuwkomers gaat ten koste van de legacy-aanbieders.

Nieuw op de markt

Diverse aanbieders hebben het pad van de SSD al zo’n beetje verlaten. Ze leveren nog wel Solid State Disks, maar het accent komt meer en meer te liggen op flash-arrays. Een greep uit de ­nieuwe hardware die de afgelopen maanden op de markt is gekomen:

Pure Storage
Medio dit jaar kwam Pure Storage op de markt met zijn FlashArray//m, dit is een opslagsysteem dat geheel bestaat uit flash-chips. Dit is alweer de vierde generatie flash-arrays die Pure Storage heeft ontwikkeld. In vergelijking met het voorgaande model zijn de chips een factor 2,6 dichter op elkaar gezet. De energieconsumptie daalde met een factor 2,4 (gerekend per terabyte en in vergelijking met het voorgaande model).
De flash-arrays hebben een Intel Haswell-processor als basis. Afhankelijk van het type controller ligt de maximumsnelheid tussen 150.000 en 300.000 I/O’s per seconde. Elke I/O-bewerking heeft betrekking op een blok van 32 kilobyte. De lichtste controller, de //m20, is geschikt voor een systeem met 5 tot 40 TB ruwe opslag. De zwaarste controller, de //m70, dient voor systemen met een ruwe capaciteit van 44 tot 136 TB.

Dell
De flash-arrays van Dell zijn goedkoper geworden, wat mogelijk werd door nieuwe technologie toe te passen. Het gaat om de Storage SC-series storage arrays, die beschikken over een moderne, gevirtualiseerde architectuur en technologie die automatisch beslist waar data het beste kunnen worden opgeslagen. Mainstream Read Intensive (RI) SSDs die gebaseerd zijn op Triple Level Cell (TLC) 3D NAND-technologie. Dat zorgt voor een hoge informatiedichtheid op de chips.

HP
Op 15 juli kondigde HP een reeks innovaties aan voor HP MSA Storage, vooral bedoeld voor het MKB. Het gaat hierbij vooral om verbeteringen aan de firmware, waardoor applicaties beter ­presteren. Bij praktijkproeven zijn al versnellingen van 45 procent gemeten, zonder dat er verder aan de hardware iets hoefde te gebeuren.
Firmware upgrades aan HP MSA 1040/2040 zijn beschikbaar via supportpagina’s op www.hp.com. Voor huidige gebruikers zijn de updates gratis via support te verkrijgen.

Geheugenbanken nog lang niet uitontwikkeld

De geheugenmakers experimenteren met andere opslagtechnieken dan alleen NAND of NOR-schakelingen in silicium. Sommigen van die geheugenelementen bevinden zich nog in het laboratoriumstadium, andere zijn al verrassend dichtbij.

3D XPoint memory
Dit nieuwe geheugentype van Intel en Micron moet 1000 keer sneller werken dan de gewone NAND flash doordat geen gebruik wordt gemaakt van transistoren, die altijd tijd nodig hebben om van de ene in de andere toestand om te klappen. Het 3D XPoint-geheugen bestaat uit verticaal opgestelde nanostaafjes, die zijn opgesloten in een horizontaal raamwerk van geleiders. De staafjes worden als het ware uit plakken opgedampt materiaal gesneden, met productiemiddelen die ook worden gebruikt voor het maken van gewone chips. Na het uitsnijden bevat ieder staafje een geheugencelletje en een selector.
Elke cel staat op het kruispunt van twee lijnen uit de matrix, dus door die twee lijnen te selecteren heb je één bepaalde geheugencel te pakken. Wordt daar een grote spanning op gezet, dan kan de cel worden beschreven, bij een lage spanning wordt de inhoud slechts uitgelezen. Dit werkje worden gedaan door de selector, die bovenop de geheugencel zit. Alleen de stuurelektronica aan de rand van de chip, die de juiste matrixlijnen moet activeren, heeft nog transistoren.
De geheugenlagen kunnen gestapeld worden, zodat op hetzelfde oppervlak tweemaal zoveel cellen komen te staan. Een ander voordeel is, dat de 3D XPoint-cellen nauwelijks ‘moe’ worden, wat wil zeggen dat hun prestaties vrijwel gelijk blijven hoe vaak ze ook worden beschreven. Bij NAND flash-cellen treedt na enkele tienduizenden schrijfcycli een soort vermoeidheid op, waardoor de cel zijn informatie niet meer goed kan vasthouden. Speciale algoritmes moeten ervoor zorgen dat het aantal schrijfcycli bij NAND flash binnen de perken blijft. Uit tests is al gebleken dat 3D XPoint met gemak 10 miljoen schrijfcycli kan hebben.

PRAM
Phase-change random access memory (PCRAM) wordt ook wel PRAM genoemd. Dit geheugentype is eveneens ontwikkeld door Intel en het bestaat uit materiaal dat onder invloed van een elektrische spanning in een andere fysieke toestand kan worden gebracht. Bij PCRAM worden de bits opgeslagen in kleine draadjes die bestaan uit een legering van tellurium, germanium en antimoon. Dit materiaal kan of kristallijn of amorf zijn. De toestand bepaalt de weerstand van de stof. Zo heeft de kristallijne toestand een lagere weerstand dan de amorfe ­toestand.
Al in de jaren zestig van de vorige eeuw experimenteerde Stanford R. Ovshinsky van het bedrijf Energy Conversion Devices met een materiaal dat hij chalcogenide glas noemde. Gordon Moore, mede-oprichter van Intel, schreef er enkele jaren later een artikel over, waarin hij aangaf dat dit materiaal goed als ­basis kon dienen voor een computergeheugen. Helaas waren de gebruikte materialen toentertijd te onzuiver om er goed werkende geheugens van te kunnen maken.
Inmiddels is Intel al veel verder en heeft het bedrijf in samenwerking met STMicroelectronics werkende PRAM’s gemaakt. Het duurt echter nog enkele jaren voordat die geheugentype in grote hoeveelheden op de markt komt.

MRAM
Het Magnetoresistive random-access memory (MRAM) is een geheugen dat nog het meest weg heeft van een harde schijf, met dien verstande dat de informatie niet wordt opgeslagen als elektrische lading maar als magnetische oriëntatie.
De geheugencellen bestaan uit plakjes van een ferromagnetisch materiaal die van elkaar worden gescheiden door een zeer dunne isolatielaag. Door het aanleggen van een externe elektrische spanning kunnen de plaatjes worden gemagnetiseerd, ­zodat ze informatie kunnen opslaan.
De eerste MRAM’s werden ruim twintig jaar geleden gemaakt en in de tussentijd is er wel vooruitgang geboekt bij het verkleinen van de geheugenelementen. Van massaproductie is echter nog geen sprake. In de meeste gevallen bevolkt MRAM een nichemarkt.

FRAM
Dit is de Ferroelectric RAM, een combinatie tussen RAM en ROM, populair gezegd. Texas Instruments is een van de grote voorvechters van FRAM, hoewel het ook daar nog vooral in de laboratoria wordt getest. Het grote voordeel van FRAM is de ­hoge snelheid (10.000 keer sneller dan de doorsnee flash-chip) en het zeer lage elektriciteitsverbruik. In vergelijking met ­normale flash-chips scheelt dat een factor 3000.

Memristor
Dit geheugenonderdeel is afkomstig uit de laboratoria van HP.
De memristor bestaat uit cellen, die een bepaalde weerstand kunnen krijgen door het aanleggen van een externe spanning. De weerstand is afhankelijk van de hoogte en duur van de spanning waaraan het element is onderworpen. De weerstand van een memristor is omgekeerd evenredig met de spanning die op het element staat. Ook daalt de weerstand naarmate de memristor langer onder spanning staat. Zodoende kan een memristor ‘onthouden’ welke waarde het heeft, zelfs na uitschakelen van een apparaat waar de memristor in zit.
De memristor is relatief nieuw, HP heeft er voor het eerst over gepubliceerd in 2008. Het bestaan van het onderdeel – een missing link in de elektronica volgens velen – werd al rond 1970 voorspeld. De toenmalige stand van de techniek was echter niet toereikend om een memristor ook daadwerkelijk te ­maken. Nieuwe nano-technieken hebben dat nu wel mogelijk gemaakt. HP heeft plannen om volgend jaar met systemen op basis van de memristor op de markt te komen.

Prijsontwikkeling van opslagsystemen

Prijsontwikkeling opslagsystemen

 

 

 

 

 

<

Dit artikel verscheen eerder in AutomatiseringGids nr. 15 2015

 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Laat de klantenservice je terugbellen!