Нова пам'ять для нової архітектури зберігання даних

Протягом останнього десятиліття швидкодія процесорів зросла приблизно в 10 разів, оперативної пам'яті – в 8 разів, мереж – в 100 разів, внутрішньої шини обчислювальних систем – в 20 разів, а накопичувачів на жорстких дисках – все в 1,5 рази. Тобто збільшення продуктивності підсистеми зберігання серверів істотно відстає від зростання продуктивності центрального процесора, оперативної пам'яті, внутрішньої шини, а також пропускної спроможності мереж. Недостатня продуктивність традиційних жорстких дисків (HDD) призводить до збільшення часу відгуку додатків. Ще вчора рішенням могло бути тільки використання SSD або PCIe-флеш. Сьогодні ми зробили крок ще далі з новим типом накопичувачів безпосередньо на шині оперативної пам'яті!



NVMe приходить на допомогу
Частково вирішити цю проблему допомагає на порядок більш швидка флеш-пам'ять. Для неї розробляються нові протоколи і технології, що розкривають потенціал інтерфейсу PCIe, наприклад, Non-Volatile Memory Express (NVMe). Флеш-пам'ять NVMe дозволяє усунути значні затримки обладнання і витрати протоколів, пов'язані із зберіганням, і може застосовуватися для підвищення загальної продуктивності системи, особливо в таких ресурсномістких завданнях, як віртуалізація, аналітика великих даних і високопродуктивних обчислень (HPC). З допомогою NVMe можна отримувати доступ до флеш-пам'яті, минаючи прошарок SCSI, що зменшує час доступу, особливо у разі апаратної підтримки NVMe, коли функції драйвера реалізуються на апаратному рівні.



Масштабована технологія NVMe розроблялася спеціально для прямого підключення пристроїв NVMe (таких як SSD) через інтерфейс PCIe Gen3. Вона забезпечує швидкий доступ процесору до даних у флеш-пам'яті і характеризується високою продуктивністю в IOPS, малим енергоспоживанням і низькими затримками. Поставки перших продуктів NVMe почалися в 2014 році. У 2015-му багато вендори серверів представили свої платформи зі слотами NVMe.

NVMe дозволяє підвищити продуктивність системи за рахунок більш повного використання паралелізму пристроїв і програмного забезпечення. Накопичувач стає «ближче» до процесора, що дає можливість знизити затримку більш ніж в 20 разів.

В даний час в серверах твердотільні накопичувачі (Solid State Drive, SSD) забезпечують високу швидкість доступу до даних і іноді застосовуються в якості кеш-пам'яті для зберігання проміжних даних. Не дивно, що флеш-накопичувачі впевнено завойовують ринок. За прогнозом компанії IHS, до 2017 року поставки SSD в натуральному виразі досягнуто половини обсягу поставок жорстких дисків.


В арсеналі компанії Hewlett Packard Enterprise – цілий спектр накопичувачів з підтримкою протоколу Non-Volatile Memory Express. У цих рішеннях HPE використовуються різні формати накопичувачів під різні типи навантажень, включаючи 2,5" SFF і карти PCIe. Стандартні драйвери NVMe включені до складу найбільш популярних операційних систем. Однак NVMe уже стає «найкращою практикою» вчорашнього дня. У вершині піраміди її змінює нова технологія – Persistent Memory.

HPE Persistent Memory
Технологія HPE Persistent Memory (що означає «незалежна» або «постійна пам'ять») нова не тільки оригінальним архітектурним рішенням – розміщенням енергонезалежного флеш-накопичувач на шині пам'яті, – але і комплексним підходом. Під неї вже є драйвер для Microsoft Windows SDK для Linux, в найближчих планах – навчити додатки розуміти цей новий тип носія, що забезпечить, наприклад, підтримку обчислень in-memory на цих модулях без різних хитрощів за збереження даних.



Що ж являє собою HPE Persistent Memory? Спрощено кажучи, це енергонезалежна пам'ять з продуктивністю оперативної пам'яті. Будучи незалежною, ця пам'ять забезпечує постійне зберігання даних. Технологія HPE Persistent Memory, представлена в грудні 2015 року, використовується у лінійці продуктів HPE ProLiant 2016 року. Більшість з таких систем вже поставляються.

Persistent Memory (або Non-Volatile Memory) – комбінація DRAM з флеш-пам'яттю, що дозволяє уникнути втрати даних при відключенні живлення. Оскільки DRAM (модуль DIMM) і NAND «сидять» на шині пам'яті, дана комбінація працює швидше, ніж флеш-пам'ять на карті PCIe.



За своїми характеристиками HPE Persistent Memory (NVDIMM) займає в піраміді різних видів пам'яті проміжне положення між оперативною пам'яттю DRAM і флеш-пам'яттю. У яких же додатках ця нова технологія демонструє свої найкращі якості? Насамперед, це аналітика і бази даних.



При наявності в системі такої постійної пам'яті програми можуть зберігати більше даних в ОЗП і рідше звертатися до набагато більш повільним накопичувачів SSD або HDD. Як показують перші результати тестування, нова технологія збільшує продуктивність додатків баз даних і аналітики в 2-10 разів. Наприклад, при роботі з SQL Server пам'ять NVDIMM здатна вдвічі збільшити швидкість запису логів бази даних і на порядок прискорити аналітику SPARK.

Як показує демонстраційний приклад, в якому використовуються сервери HPE ProLiant Gen9 і СУБД Microsoft SQL Server, перехід від накопичувачів SSD до SSD з додатковою «прошарком» у вигляді модулів пам'яті NVDIMM (кеш) практично вдвічі знижує показник затримки при запису і значно збільшує продуктивність в транзакції хв. Зараз це 1 000 000 транзакцій в секунду, але теоретично вже досяжні значення до 4-5 млн. транзакцій в секунду.

Зараз сервери ProLiant Gen 9 з модулями NVDIMM поставляються з Windows або Linux (Red Hat, SUSE), підтримують СУБД Microsoft SQL Server) і аналітику Hortonworks.

Разом з галузевими постачальниками операційних систем і додатків HPE працює над створенням екосистеми ЗА для підтримки енергонезалежній пам'яті HPE і спрощення її впровадження для замовників серверів HPE ProLiant. Тобто одночасно з випуском апаратного забезпечення під технологію Persistent Memory формується екосистема апаратного та програмного забезпечення. Для цього HPE співпрацює з провідними розробниками операційних систем, включаючи Microsoft, Red Hat, SuSE, а також з незалежними постачальниками (ISV). Спільно з Microsoft ведуться роботи щодо оптимізації SQL Server. Подивимося докладніше, що представляють собою сервери ProLiant Gen 9.

Нові сервери HPE ProLiant Gen9 з технологією Persistent Memory
В березні 2016 року компанія HPE оголосила про випуск нових обчислювальних платформ з вбудованою підтримкою Persistent Memory. Нові сервери HPE ProLiant Gen9 з процесорами Intel Xeon E5-2600 v4 прискорюють надання послуг, підвищують продуктивність додатків і забезпечують надійність бізнес-операцій.

Вони оптимізовані для першого продукту в лінійці рішень з енергонезалежною пам'яттю HPE Persistent Memory – 8-гігабайтних модулів HPE NVDIMM (очікується випуск модулів пам'яті на 16 Гбайт). Дана технологія добре підходить для всіх додатків, на які впливають традиційні вузькі місця систем зберігання даних.


8-гігабайтний модуль HPE NVDIMM доступний для замовлення з квітня 2016 року і вже підтримується серверами HPE ProLiant DL360 і DL380 Gen9 з процесорами Intel E5-2600 v4. Модуль HPE 8GB NVDIMM побудований на базі стандартної галузевої технології NVDIMM-N у співпраці з організаціями по стандартизації JEDEC і SNIA і включає в себе резервне живлення від акумулятора HPE Smart Storage Battery, що підтримує до 16 модулів NVDIMM, для переміщення даних з DRAM на флеш-пам'ять при втраті живлення.

Результати тестування сервера HPE ProLiant Gen9 з СУБД PostgreSQL
В Центрі Високих Технологій HPE нові серверні платформи DL380 Gen9 були протестовані з СУБД PostgreSQL. Тести проводилися фахівцями HPE спільно з розробниками з компанії Postgres Pro (https://postgrespro.ru/) в різних конфігураціях.


Чому саме PostgreSQL? Це повнофункціональна СУБД з відкритим кодом, що дозволяє вирішувати широке коло завдань. За час існування PostgreSQL навколо неї сформувалася екосистема, що включає розробників, аналітиків і користувачів, завдяки чому є можливість розширювати функції цієї СУБД в залежності від вимог ринку.

PostgreSQL використовується і в державних, і в комерційних організаціях по всьому світу, і популярність її зростає, в тому числі як раз тому, що на поточний момент PostgreSQL задовольняє вимогам, що пред'являються до промислових СУБД, і вважається найбільш досконалою з вільно розповсюджуваних СУБД загального призначення, а зростання попиту на вирішення Open Source – глобальна тенденція. У нашій країні PostgreSQL використовує ряд великих компаній (Yandex, Avito, HeadHunter, Mail.Ru та ін). Інтерес до PostgreSQL зростає.
Продуктивність СУБД PostgreSQL з різними типами внутрішнього сховища на серверах HPE ProLiant Gen9 показана нижче.


Як видно з таблиці, результати дійсно видатні. І перспективи відкриваються дуже цікаві.

Нові «правила гри»
З усього цього випливає, що «найкраща практика» зберігання тепер повинна виглядати приблизно так:


У цій багаторівневій архітектурі зберігання нульовий рівень Tier 0 представляє саму швидку, а Tier 3 – саму повільну пам'ять. При зберіганні гарячих і холодних даних враховується продуктивність, ємність і вартість зберігання. Зазвичай, чим гаряче дані, тим вище $/GB і нижче вимоги до ємності. Традиційні рівні зберігання зліва представляють:

Tier 0 = PCIe SSD і PCIe Workload Accelerator (флеш-пам'ять NAND на SAS/SATA або шини PCIe), затримка 100 мікросекунд.
Tier 1 = SAS HDD (високопродуктивні диски), затримка десятки мілісекунд.
Tier 2 = SATA HDD (диски великої ємності), затримка сонти мілісекунд.
Tier 3 = магнітна стрічка або архівний носій, затримка – секунди і хвилини.
Праворуч – нові пристрої зберігання. Ієрархія виглядає так:

Tier 0 = NVDIMM, затримка – наносекунди.
Tier 1 = PCIe SSD і PCIe Workload Accelerators (флеш-пам'ять NAND на SAS/SATA або на шини PCIe), затримка 100 мікросекунд.
Tier 2 = SAS HDD (високопродуктивні диски), затримка десятки мілісекунд.
Tier 3 = SATA HDD (диски великої ємності), затримка сотні мілісекунд.
Таким чином, пам'ять NVDIMM замінює накопичувачі на флеш-пам'яті PCIe NAND як найшвидші пристрої зберігання, змінюється архітектура обчислювальної системи.


Розроблена HPE технологія Persistent Memory змінює правила гри на серверному ринку. Вона стане важливою віхою на шляху до абсолютно нової комп'ютерної архітектурі під назвою HPE Machine, розроблюваної з 2014 року. У Machine з мемристорной пам'яттю переосмислюється фон-неймановская архітектура, домінуюча з початку комп'ютерної ери.

Все це можна назвати переходом до нової обчислювальної моделі – Memory-Driving Computing, де пам'ять відіграє одну з провідних ролей. Її втіленням вже стали сервери HPE ProLiant Gen9. Але Memory-Driving Computing, обчислення в пам'яті – це не просто «залізо» з новою архітектурою пам'яті, але і ціла екосистема програмного забезпечення. Для цього HPE працює в тісній взаємодії з розробниками операційних систем та прикладного софту.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.