Was ist ein All Flash Array (AFA)?

Ein All Flash Array (AFA) ist eine Art externes Datenspeichersystem, das ausschließlich Flash-Speicher-Hardwaremedien (d. h. Solid-State-Laufwerke (SSDs)) für die dauerhafte Datenspeicherung verwendet. Das AFA wird auch als Festplattenspeicher oder Solid-State Array (SSA) bezeichnet.

Im Gegensatz zu rotierenden Festplattenlaufwerken (HDDs) enthalten SSDs keine beweglichen Teile und bieten eine verbesserte Geschwindigkeit und Haltbarkeit. Im Vergleich zu HDDs allein ermöglichen All-Flash-Speichersysteme – bestehend aus SSDs oder Hybridsystemen aus SSDs und HDDs – einen schnelleren Datenzugriff, verbessern gleichzeitig die Verarbeitungsgeschwindigkeit und reduzieren die CPU-Auslastung. 

Flash-Speicher variieren sowohl in Bezug auf die Speicherkapazität als auch in Bezug auf den Formfaktor. Einige SSDs, wie beispielsweise solche, die in USB-Sticks zu finden sind, sind kleiner als Zehncentstücke. Während frühe SSDs nur eine geringe Datenmenge speichern konnten, vervielfachte sich diese Speicherkapazität im Zuge des technologischen Fortschritts gemäß dem Moore'schen Gesetz.

Dank der SSD-Technologie können Sie heute ein Terabyte an Daten (oder mehr) auf Ihrer Fingerspitze balancieren. Aufgrund ihrer kompakten Größe und ihrer robusten Solid-State-Konstruktion sind SSDs in Elektronikgeräten wie Laptops, Tablets, Mobiltelefonen und Spielekonsolen allgegenwärtig. 

Über Anwendungen für Endverbraucher hinaus haben SSDs und AFAs auch einen revolutionären Einfluss auf die Speicherung in Unternehmen gehabt. Traditionell haben sich organisatorische Rechenzentren für die Datenspeicherung und -abfrage auf Festplatten verlassen, die als Netzwerkspeicher (NAS) oder Speichernetzwerke (SANs) oder beides konfiguriert sind. Das war so lange der Fall, bis Fortschritte im Bereich der Solid-State-Speicher All-Flash-Arrays zu einer kostengünstigen Alternative machten und mehrere Leistungsverbesserungen mit sich brachten, die für Hochleistungsanwendungen geeignet sind.

Solid-State-Laufwerke sind Festplattenlaufwerken in der Regel vorzuziehen. Hybrid-Arrays, die SSDs und HDDs innerhalb desselben Gehäuses konfigurieren, ermöglichen es Anbietern jedoch, bestehende Systeme nachzurüsten, indem sie nur einen Teil der festen Speichermedien durch Flash-Speicher ersetzen. Heutzutage sind AFAs oder Hybrid-Arrays die erste Wahl für NAS- und SAN-Lösungen in großem Maßstab.

Flash-Speicher ist eine Art nichtflüchtiger Speicher, der Halbleiter-Transistoren zum Speichern und Abrufen von Daten verwendet. In einem Flash-Speicher gespeicherte Daten sind dauerhaft und nichtflüchtig, d. h. sobald Daten in einen Flash-Speicher geschrieben wurden, kann und wird der Speicher diese Daten auch nach dem Ausschalten des Geräts behalten.

Die Flash-Speichertechnologie gibt es in zwei Varianten, die sich durch die Art der Logikarchitektur unterscheiden, die zur Steuerung der Speicherchip-Operationen verwendet wird:

• NOR-Flash: Dieser Flash-Speichertyp verwendet „NOT OR“-Boolesche Logikgatter zum Lesen und Schreiben von Daten. NOR-Flash ist schnell beim Zugriff auf zufällige Datenbits innerhalb eines gespeicherten Satzes, hat jedoch langsamere Schreibzeiten und kann vergleichsweise teurer sein. NOR-Flash eignet sich am besten zum Speichern von Daten wie Firmware und Boot-Code.

• NAND-Flash: NAND-Flash verwendet „NOT AND“-Boolesche Logikgatter, was für die Speicherung größerer Dateien kostengünstiger ist. NAND-Flash zeichnet sich durch sequenziellen Datenzugriff aus, ist jedoch bei zufälligen Lesevorgängen langsamer als NOR-Flash. Aus diesen Gründen eignet sich NAND-Flash nicht gut für die direkte Codeausführung, ist jedoch eine ausgezeichnete Option für die langfristige und großvolumige Datenspeicherung.

Auf technischer Ebene speichert der NAND-Flash-Speicher Daten mithilfe einer Anordnung von Floating-Gate-Transistoren, die ähnlich wie NOT-AND-Logikgatter funktionieren. Jede NAND-Speicherzelle enthält sowohl ein Steuerlogikgatter als auch ein Floating-Logikgatter, die durch eine dünne Oxidschicht voneinander getrennt sind.

Durch das Fowler-Nordheim-Tunneling-Verfahren können Binärdaten dauerhaft im Flash-Speicher gespeichert werden, indem eine elektrische Ladung mit einer Spannung in die Zelle gesendet wird, die Elektronen im Floating Gate einfängt. Umgekehrt können Daten durch Entfernen der Spannung gelöscht werden. 

Obwohl Flash-Speicher sowohl in NOR- als auch in NAND-Ausführung erhältlich sind, bezieht sich der Begriff „Flash-Speicher“ fast immer auf NAND-Flash. Obwohl NAND-Flash-Speichermedien mit der Zeit an Leistung verlieren und nach einigen Jahren regelmäßig ausgetauscht werden müssen, erfüllen NAND-Speicher in den meisten Situationen viele Kriterien für einen idealen Betriebsspeicher.

Im Folgenden sind einige wichtige Merkmale aufgeführt:

• Nichtflüchtig: NAND-Flash kann Daten speichern, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist. 

• Blockbasiert: NAND-Flash schreibt und löscht Daten in großen Informationsblöcken, im Gegensatz zu einem Byte-für-Byte-Ansatz. 

• Effizient in großem Maßstab: Aufgrund seiner blockbasierten Struktur eignet sich NAND-Flash gut für sequenzielle Rechenaufgaben, die große Datenmengen speichern und in großem Maßstab darauf zugreifen müssen. NAND-Flash ist im Vergleich zu NOR-Flash eine effizientere Option mit einer höheren Dichte.  

• Langlebig: Sowohl NAND- als auch NOR-Flashspeicher sind wesentlich langlebiger als Festplatten. Flash-Speichereinheiten enthalten keine beweglichen Teile, die bei Festplatten zu Ausfällen führen können. Daher ist NAND-Flash eine weitaus bessere Wahl, wenn es auf Langlebigkeit ankommt. NAND-Flash ist zur bevorzugten Wahl für Datenspeicher geworden, die möglicherweise physisch transportiert werden müssen, und wird durchweg für Geräte wie tragbare externe Festplatten oder Laptops verwendet. Allerdings sind Solid-State-Speichermedien zwar deutlich langlebiger als Speichergeräte mit beweglichen Teilen, aber es gibt eine Begrenzung, wie oft ein Flash-Speichergerät überschrieben werden kann. Obwohl nichtflüchtige Flash-Speicher gemeinhin als unbegrenzt sicher gelten, verschlechtern sich diese Arten von Geräten mit der Zeit, entweder durch übermäßigen Gebrauch oder durch allgemeinen Verfall. Best Practices schreiben vor, dass Daten, die langfristig auf Flash-Speichereinheiten gespeichert werden, regelmäßig validiert und in regelmäßigen Abständen auf neue Speicherhardware kopiert werden sollten. 

Aufgrund seiner kompakten Größe, hohen Geschwindigkeit, robusten Haltbarkeit und hohen Speicherkapazität ist Flash-Speicher für viele Geräte zur bevorzugten Lösung geworden. Zu diesen Geräten gehören Speicherkarten, USB-Sticks, Smartphones, Laptops, Digitalkameras und ähnliche tragbare Geräte. Flash-Speicher wird jedoch auch für größere und physisch dauerhaftere Rechenanwendungen bevorzugt. 

Solid-State-Laufwerke (SSDs) werden als Hauptspeicherkomponente jedes All-Flash-Arrays (AFA) verwendet und sind in der Regel halbleiterbasierte Speichergeräte, die NAND-Flash-Speicher verwenden. Jeder NAND-Flash-Speicherchip besteht aus einer Anordnung von Blöcken, die als Raster bezeichnet wird. Jeder Block im Raster besteht aus einer Anordnung von Speicherzellen, die als Seiten oder Sektoren bezeichnet werden.

Ingenieure kategorisieren einzelne Speicherzellen anhand der Anzahl der Bits, die sie speichern können. Single-Level Cells (SLCs) speichern 1 Bit an Informationen, während Multi-Level Cells (MLC), Triple-Level Cells (TLCs) und Quad-Level Cells (QLC) 2, 3 bzw. 4 Bits enthalten.

Jeder Zelltyp hat seine eigenen Vorteile und Herausforderungen. Beispielsweise sind SLCs für ihre hohe Geschwindigkeit, aber auch für ihre hohen Preise bekannt, während günstigere QLCs möglicherweise weniger zuverlässig sind als ihre teureren Alternativen. Je nach Zelltyp kann jedes Raster innerhalb der SSD zwischen 256 KB und 4 MB Daten speichern.

In einem typischen Personal-Computing-System fungiert die Zentraleinheit (CPU) des Computers als Controller, der alle Lese- und Schreibvorgänge im Speicher steuert. Ein AFA kann über weitere Hardware oder Software verfügen, um diese Aufgaben über die gesamte Reihe vernetzter SSDs hinweg zu verwalten. 

Ursprünglich waren SSD-Laufwerke mit der SATA-Speicherschnittstelle (Serial ATA) kompatibel, die ursprünglich für ältere Festplatten entwickelt worden war. Mit einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 550–600 MB/s sind SATA-SSDs schneller als herkömmliche HDDs.

SDDs, die für die neueren Nonvolatile Memory Express (NVMe)-Protokolle entwickelt wurden, können jedoch die Vorteile der Hochgeschwindigkeits-PCI-Express (PCIe)-Schnittstelle nutzen. Dieses Design ermöglicht ihnen eine noch bessere Leistung mit Datenübertragungsraten von 3.500 MB/s bis zu 14.000 MB/s. Mit anderen Worten: NVMe-SSDs sind etwa 20 Mal schneller als die ältere SATA-SSD-Technologie.

NVMe-Laufwerke bieten nicht nur einen höheren Durchsatz, sondern übertreffen SATA-Laufwerke auch bei Latenztests und unterstützen Tausende von gleichzeitigen Befehlswarteschlangen. Aus diesen Gründen eignen sich NVMe-SSDs – und AFAs mit diesen Laufwerkstypen – ideal für anspruchsvolle Aufgaben wie High-Performance-Gaming, Content-Erstellung und Unternehmensspeicher. 

Laut Gartner entwickeln sich SSDs zur bevorzugten Speicherplattform für strukturierte Daten-Workloads, was durch Innovationen im Bereich der NAND-Flash- und Storage-Class-Memory-Technologie (SCM) vorangetrieben wird.

Moderne All-Flash-Speicher-Arrays integrieren fortschrittliche Software (und gelegentlich auch spezielle Hardware) mit leistungsstarken NVMe-Laufwerken, um Ressourcen von mehreren Laufwerken effizient zu bündeln.

Die besten All Flash Arrays gehen noch einen Schritt weiter und nutzen ein noch neueres Protokoll, NVMe over Fabrics (NVMe-oF), um die Datenübertragungsgeschwindigkeiten und Latenzen im gesamten SAN zu maximieren. Diese Systeme ermöglichen es Hosts, sich direkt mit dem Speicher zu verbinden und zu kommunizieren, indem benutzerdefinierte NVMe-oF-Module anstelle einer Reihe separater NVMe-SSDs integriert werden. 

Durch die Bündelung von Ressourcen schaffen AFAs reichlich Speicherkapazität mit den erforderlichen Redundanzen und bieten gleichzeitig Leistungs- und Speicherverwaltungsbeschleunigungen. AFAs nutzen außerdem fortschrittliche Datenreduktionstechniken wie Datendeduplizierung, Verdichtung, Snapshots, Replikation und Thin Provisioning, um die Speichereffizienz deutlich zu verbessern. 

Die meisten All Flash Array-Anbieter bieten auch ausgeklügelte Software für Überwachung, Datenmanagement und Datenschutz an, um Systemadministratoren die Möglichkeit zu geben, die Ressourcennutzung, den Systemzustand und andere relevante Metriken zu überwachen. Diese Tools helfen Unternehmen dabei, Engpässe zu vermeiden und schnell auf potenzielle technische Probleme oder Vorfälle zu reagieren.

Über die Verwaltungssoftware hinaus bieten AFA-Produkte wie Pure Storage FlashBlade, Dell Unity XT oder HPE Alletra auch Plug-ins und Erweiterungen, mit denen sich All-Flash-Speichersysteme schnell an wechselnde Workloads anpassen und nahtlos in Hybrid-Cloud- oder VMware-Umgebungen integrieren lassen. 

Im Folgenden werden die beiden wichtigsten Architekturen für die All Flash Storage Technologie vorgestellt.

Scale-up-AFAs folgen einer älteren Architektur, die es ermöglicht, einem bestehenden Array zusätzlichen Speicher hinzuzufügen.

Die Scale-up-Architektur ermöglicht zwar eine einfache und kostengünstige Erhöhung der Kapazität, kann jedoch zu Engpässen führen, da der zentrale Speicherverwaltungscontroller zu einem Single Point of Failure werden kann. 

AFAs, die eine Scale-Out-Architektur verwenden, ermöglichen die gleichzeitige Erweiterung der Speicherkapazität und Rechenleistung durch Hinzufügen weiterer Knoten zum System.

Scale-out-AFAs sind die bevorzugte Wahl für Unternehmensspeicher mit potenziell schnell wachsendem Speicherbedarf, da diese Art von Architektur auch bei einem Wachstum des Systems eine konsistente Leistung gewährleistet.  

All Flash Arrays (AFAs) bieten eine Vielzahl von geschäftskritischen Vorteilen, von Skalierbarkeit bis hin zu Sicherheit. Diese Vorteile gehören zu den wichtigsten Nutzen einer AFA.

Da sich die Flash-Speichertechnologie hinsichtlich Leistung, Verfügbarkeit und Erschwinglichkeit verbessert hat, erfreuen sich All-Flash-Arrays (AFAs) in vielen Anwendungsfällen und Branchen wachsender Beliebtheit:

• Virtualisierung: AFAs sind unverzichtbar für die Bereitstellung der erforderlichen Leistung und Funktionsunterstützung für Hypervisor-Software, auf der virtuelle Maschinen und virtuelle Desktop-Infrastrukturen (VDI) ausgeführt werden. Für die Virtualisierung werden AFAs verwendet, um den hohen Datendurchsatz mit der minimalen Zugriffslatenz aufrechtzuerhalten, die für unterbrechungsfreie virtualisierte Workloads erforderlich ist. 

• Big Data und künstliche Intelligenz (KI): KI-Modelle sind auch dafür bekannt, dass sie große Datensätze für Training und Betrieb benötigen. AFAs eignen sich für Big-Data-Anwendungen, wie z. B. die Ausführung komplexer KI-Algorithmen, die eine erhebliche Speicherleistung erfordern. 

• Notfallwiederherstellung (DR) und Backup: Obwohl sie in der Vergangenheit aufgrund ihrer hohen Kosten unerschwinglich waren, sind AFA-Lösungen aufgrund der verbesserten Preise und Leistung von Flash-Speichern nun eine praktikable Option für Backups und Notfallwiederherstellung. Die hohen Lese-/Schreibgeschwindigkeiten einer AFA eignen sich für mehrstufige Backups. 

• Finanzdienstleistungen: Fortschritte in der Finanztechnologie (Fintech) haben ein Zeitalter des Hochfrequenzhandels eingeläutet, das nahezu sofortige Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten erfordert. AFAs sind ein enormes Asset für Finanzdienstleister, da sie sofortige Transaktionen und Datenanalyse erleichtern. 

• Medien und Unterhaltung: Von Streaming-Diensten bis hin zu Online-Medienmarktplätzen sind AFAs für Medien- und Unterhaltungsunternehmen von großem Wert, die große Mengen an Daten speichern und bei Bedarf schnelle Datenübertragungen bereitstellen möchten. 

• Gesundheitswesen: In der Gesundheitsbranche kann der Datenzugriff buchstäblich Leben retten. AFAs bieten Krankenhäusern und Gesundheitsdienstleistern einen schnellen Datenzugriff, der eine zeitnahe und effektive Versorgung ermöglicht. 

• Rechenzentren: Da das moderne Leben und die Branchen zunehmend von riesigen Datenmengen abhängig sind, sind Rechenzentren ständig bestrebt, den Bedarf zu decken. AFAs ermöglichen einen schnellen und zuverlässigen Datenzugriff bei gleichzeitiger Minimierung der Ausfallzeit.