NVMe Non-Volatile-Memory Express. Ein völlig neuer Ansatz für das I/O-Management

Starnberg, 12. März 2015 - Die Speicherindustrie ist auf der Festplattenseite im Umbruch; NVM-Storage wird den Performance-Stack dominieren; wo bleibt SCSI ?

Um was geht es hier? Flash und andere nicht-flüchtige (noch MOS FET) Technologien sind gerade dabei, technologisch die klassische Domäne der schnelldrehenden Festplatten (15k RPM) Arrays durch leistungsfähigere und energieeffiziente, nicht-flüchtige Halbleiterspeicher zu ersetzen. NAND Storage über PCIe als kapazitätsmäßig erweiterter Online-Speicher nach DRAM im Server (aka ServerSANs) oder Flash NAND-Fabrics sind wichtige Trends, die für Rechenzentren interessant werden.

Damit entsteht kurz- und mittelfristig der Bedarf nach schnellen und latenzarmen Protokollen, um die gestiegene I/O-Leistungsanforderungen effektiv zu bedienen. Das für mechanische HDD- und Tape-Systeme verwendete SCSI-Protokoll stellt im Zusammenhang mit PCIe-basierten Flash-Serversystemen auf Grund des umfangreichen Protokoll-Stacks und höherer Latenzzeiten in Zukunft einen Engpass dar. Dringlich werden neue „schlankere“ Entwicklungen in diesem Bereich insbesondere, wenn in den nächsten Jahren (2017+) neben Flash weitere NVM-Speichertechnologien wie Memristor oder Phase Change Memory auf den Markt kommen sollten.

NVMe - komplett neuer Ansatz für das I/O-Management ?

NVMe (aktuelles "Gold"-Release, V.1.2.1 Revision from June 5, 2016 (Nachtrag vom 5. Sept. 2016 ) stellt eine standardisierte Schnittstelle (Protokoll) für PCIe-SSDs dar. Es wurde entwickelt, um die spezifischen Leistungsmerkmale von Flash und NVM Technologien bei Serversystemen besser nutzen zu können (Latenzzeiten, Performance, Skalierbarkeit, Protokoll-Umfang und Effizienz).

Während Standard Festplatten-Arrays und Tape-Systeme das SCSI-Protokoll verwenden, arbeitet NVMe unter Umgehung des SCSI-Stacks. Command Queuing bei SCSI unterstützt nur eine Warteschlange für I/O-Befehle, während NVME bis zu 64.000 erlaubt. Dabei kann jede Warteschlange ihrerseits bis zu 64.000-Befehle gleichzeitig bedienen. Zusätzlich vereinfacht NVME die Befehle auf der Grundlage von 13 spezifischen NVMe Command-Sets, die auf die besonderen Anforderungen von NVM-Devices hin entwickelt wurden. NVMe mit Flash kann auf Grund seines Designs sehr hohe I/O-Werte über niedrige Latenzen bereitstellen, die deutlich über den aktuellen Leistungswerten von Flash mit SAS (also SCSI) liegen.

Bislang publizierte Latenzzeiten liegen bis zu 200 Mikrosekunden unter denen von 12 Gbps SAS. Zudem soll sich die CPU-Belastung um bis zu 50% durch den effizienteren Befehlssatz gegenüber SCSI reduzieren. Die SNIA hat hierzu folgende Zahlen veröffentlicht (1):

Random Read-/Writes:

  • For 100% random reads, NVMe has 3x better IOPS than 12Gbps SAS

  • For 70% random reads, NVMe has 2x better IOPS than 12Gbps SAS

  • For 100% random Wirtes, NVMe has 1.5x better IOPS than 12Gbps SAS SAS

Ähnlich soll es sich bei sequential Read-/Writes verhalten...

Quelle (1): Non-Volatile Memory Express NVMe, Jan. 2015, J. Metz, SNIA ESF Member (Cisco)

Die aktuelle Version 1.2 ist Anfang 2015 fertiggestellt worden und man darf gespannt sein, welches Entwicklungspotential (siehe auch NVM Fabrics) in der Technologie steckt. Eines ist jedenfalls offensichtlich: spätestens mit Einführung von neuen, hochleistungsfähigen NVM-Storagetechnologie wie dem Memristor etc. werden neue latenzarme und skalierbare Schnittstellen für PCIe notwendig werden. NVMe over Fabrics erweitert zudem das Protokoll auf shared Storage Networks mittels Ethernet oder FC (Zitatauszug aus der NVMe v.1.2.1 Spezifikation: "NVMe over Fabrics specification defines a protocol interface and related extensions to NVMe that enable operation over other interconnects (e.g., Ethernet, InfiniBand™, Fibre Channel). The NVMe over Fabrics specification has an NVMe Transport binding for each NVMe Transport (either within that specification or by reference).


Unser Service: als angemeldeter Benutzer dieser Webseite finden Sie zu NVMe ein ausführlicheres Dokument (inkl. Performancezahlen, wichtigen Weblinks, Verweisen etc.) hier als PDF Download...


http://www.nvmexpress.org/

http://www.snia-europe.org/