Проблема энергопотребления
Приблизительно через десять лет на вычислительные системы (в целом) будет приходиться 40% потребляемой электроэнергии. За пятую часть этого объема будут «ответственны» центры обработки данных.
Системы хранения данных — один из основных «потребителей» электроэнергии в ЦОД. Чтобы сократить расходы на содержание СХД, операторы дата-центров заменяют жесткие диски на твердотельные накопители. Последние более производительны и энергоэффективны: известны случаи, когда SSD уменьшали объем потребляемого стойками СХД электричества на 60%.
Но ситуация все равно далека от идеальной. В машинном зале крупного дата-центра могут находиться сотни стоек с накопителями, и счета за электроэнергию остаются большими. Поэтому сегодня разрабатываются новые технологии, чтобы еще сильнее сократить энергопотребление SSD. Одну из таких технологий представили в MIT. Специалисты вуза спроектировали архитектуру системы хранения данных на базе твердотельных накопителей, которая снижает расходы операторов ЦОД на электричество в два раза. Ее назвали LightStore.
Как устроена система
LightStore представляет собой хранилище типа «ключ — значение» (KV-хранилище). Ключом считаются пользовательские запросы к СХД, а значением — сами данные. Систему разворачивают на специальном аппаратном узле в сети ЦОД. Его подключают напрямую, в обход серверов хранения данных (дополнительно потребляющих электроэнергию).
Узел построен на базе энергоэффективного CPU, а также NAND- и DRAM-памяти. Управляет им контроллер и специализированное ПО. Первый компонент отвечает за обмен данными с массивами NAND, а второй — за хранение ключей и их обработку. В основе программной архитектуры LightStore лежат так называемые LSM-деревья — структуры данных, используемые во всех современных СУБД.
Кластер LightStore масштабируется линейно путем подключения дополнительных узлов к сети. Для этих целей применяются специальные адаптеры. Они формализуют пользовательские запросы к СХД и трансформируют их в понятные для нее команды. Обработка запросов производится с использованием согласованного хеширования — при добавлении новой пары ключ-значение, хеш рассчитывается только для нее, а не для всех пар. Аналогичный подход применяют системы Redis и Swift.
В общем случае архитектуру LightStore и схему ее подключений в ЦОД можно представить вот так:
По словам разработчиков, пропускная способность LightStore при работе в 10GbE-сети дата-центра превышает 600 Мбит/с. При этом один ее узел потребляет на 10 Вт меньше, чем узел «классических» SSD-систем — для них этот показатель равен 20 Вт. Также оборудование занимает в два раза меньше места, отчасти из-за того, что LightStore не требуются серверы хранения.
Сейчас инженеры из MIT занимаются исправлением недостатков LightStore и расширением функциональности системы. Например, ее «учат» работать с атомарными запросами и запросами по диапазону. Также в планах разработчиков добавить поддержку SQL-запросов. Авторы убеждены, что в будущем LightStore может стать отраслевым стандартом для SSD-хранилищ в центрах обработки данных.
Аналоги решения
В прошлом году компания Marvell, которая занимается разработкой СХД, анонсировала SSD-контроллеры с интеллектуальными функциями. Они построены на базе систем ИИ, которые оптимизируют энергопотребление SSD в ЦОД. Ожидается, что решение найдет применение в машинных залах организаций, занимающихся аналитикой больших данных.
/ фото Rawpixel PD
Еще один пример — накопитель WD Blue SSD с повышенной производительностью и энергоэффективностью. Устройство использует спецификацию NVMe для подключения дисков к шине PCI Express. Такой подход позволил повысить эффективность накопителя при работе с большим числом параллельных запросов. Устройство имеет скорость чтения в 545 МБ/с и скорость записи в 525 МБ/с. NVMe может стать стандартом ИТ-индустрии для SSD-интерфейсов. Производителям аппаратного обеспечения больше не придется расходовать ресурсы на разработку уникальных драйверов и разъемов.
В будущем можно ожидать появления большего числа решений, повышающих энергоэффективность СХД, подобных системам из MIT, Marvell и WD.
Материалы по теме из Первого блога о корпоративном IaaS:
- Развитие дата-центров: технологические тренды
- Как повысить энергоэффективность дата-центра
- Перспективы ЦОД: технологии, которые повысят производительность серверов
- Процессоры для серверов: обсуждаем новинки
