Was sind Speichercontroller?

Menschen produzieren enorme Mengen an Daten. Im Jahr 2024 beläuft sich die globale Datenmenge schätzungsweise auf unfassbare 149 Zettabyte, wobei die Prognosen bis Ende 2025 auf 181 Zettabyte an Daten ansteigen werden.

Zum Vergleich: Ein einzelnes Zettabyte entspricht 1.000 Exabyte, 1 Milliarde Terabyte oder 1 Billion Gigabyte. Mit anderen Worten: Ein Zettabyte entspricht 250 Milliarden DVDs.  

Alles in allem istdie Datenverwaltung ein wichtiger Bestandteil aller Computersysteme, einschließlich der Rechenzentren von Unternehmen, Cloud-Plattformen, IoT-Geräten und digitalen Plattformen. Aber nicht alle Daten sind gleich.

Ein Großteil der von uns erstellten Daten ist kurzlebig, das heißt sie werden sofort verwendet und wieder gelöscht, während andere Arten von Daten länger gespeichert werden. Einige Daten werden zur mittelfristigen Speicherung und Abfrage aufbewahrt, während andere Typen zur langfristigen Archivierung oder Backup aufbewahrt werden. 

Je nach Zweck der erstellten und gespeicherten Daten sind verschiedene Arten von Speichermedien besser geeignet als andere. Von einfachen Optionen wie Disketten und USB-Flash-Laufwerken bis hin zu robusten und komplizierten Optionen wie Storage Area Network (SAN) und Network Attached Storage (NAS) -Systemen sind Computer auf Speichercontroller (auch Festplatten-Controller oder Speicherprozessoren genannt) angewiesen, um Daten zu schreiben und abzurufen zwischen Speichergeräten und der Haupt-CPU des Computers. 

In den meisten Fällen handelt es sich bei Speicher-Controller-Karten um physische Hardwareeinheiten, die manchmal direkt in die Systemplatine eines Computers integriert sind. Bei virtuellen Maschinen (VMs) oder anderen virtualisierten Umgebungen kann ein softwarebasierter virtueller Speichercontroller eingesetzt werden, um die Funktion eines physischen Speichercontrollers zu simulieren. In diesen Arten von Computersystemen sind virtualisierte Speichercontroller Komponenten der übergreifenden Hypervisor-Software, die zur Verwaltung von Speicherressourcen verwendet wird, die von mehreren physischen Geräten aus zusammengefasst werden.   

Dies sind die Hauptkomponenten eines Speichers:

• Host-Schnittstelle: Die physische Verbindung, die es einem Speichercontroller ermöglicht, mit dem Hostsystem zu kommunizieren. Interne Speichergeräte verwenden Standards wie PCI Express (PCIe) für Hochgeschwindigkeitsverbindungen, während SANs Protokolle wie FibreChannel (FC) oder NVMe over Fabrics für externe Konnektivität verwenden.
• Prozessor: Speichercontroller enthalten einen eigenen dedizierten Prozessor zur Verwaltung von Eingabe-/Ausgabevorgängen (E/A). 
• Cache-Speicher: Der Cache-Speicher des Speichercontrollers besteht in der Regel aus flüchtigem DRAM. Dieser schnelle, temporäre Speicher befindet sich auf dem Controller selbst und speichert häufig abgerufene Daten, auf die schneller zugegriffen werden kann als Daten, die auf dem oder den angeschlossenen Speichergeräten gespeichert sind. 
• Festplattenschnittstelle: Die Festplattenschnittstelle ist die physische Verbindung zwischen dem Speichercontroller und den Speichergeräten. 
• Batterie- oder Kapazitätssicherungseinheit: Für Speichercontroller, die in den On-Board-Cache-Speicher schreiben können, ist eine Batteriesicherungseinheit (BBU) oder ein Kapazitätsmodul mit Flash-Modul eine entscheidende Komponente. Es ermöglicht dem Controller, alle Daten, die in den flüchtigen Flash-Speicher geschrieben wurden, für den Fall eines plötzlichen Stromausfalls aufzubewahren. Es handelt sich praktisch um eine integrierte Stromversorgung.

Um die Datenübertragung zu erleichtern, führen Speichercontroller verschiedene Aufgaben aus, um die Vorteile eines bestimmten Speichermediums optimal zu nutzen. Sie verringern auch verschiedene potenzielle Herausforderungen und Hindernisse, die ein Computersystem daran hindern könnten, seine Speicherfunktionen vollständig zu optimieren. 

Um einen reibungslosen und effizienten Zugriff auf den Speicher zu gewährleisten, gehören zu den Hauptfunktionen eines Speichercontrollers:

• Datenübertragung und -verwaltung: Die grundlegendste Funktion eines Speichercontrollers besteht darin, als Brücke zwischen einem Speichergerät und dem operativen Speicher des Computers zu dienen. Abhängig von der Art des Speichers und den zugehörigen Schnittstellen und Protokollen optimieren Speichercontroller die Datenübertragung in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz, fördern und aufrechterhalten die Leistung des Systems und bekämpfen gleichzeitig die Latenz.
• Datenvalidierung und fehlertolerante Verarbeitung: Speicher können die Genauigkeit der übertragenen Daten bestätigen und fehlerhafte Daten fehlertolerant verarbeiten, um die Datengenauigkeit sicherzustellen und fehlerbedingte Unterbrechungen zu reduzieren.
• Komprimierung und Dekomprimierung: Wenn notwendig, können Speichercontroller Daten komprimieren und dekomprimieren, um die Übertragungsgeschwindigkeit zu verbessern und den durch große Dateien verursachten Datendruck zu verringern.
• Datenschutz- und Backup-Dienste: Viele Speichercontroller verfügen über Funktionen für Datenschutz und Redundanz, wie z. B. redundante Arrays unabhängiger Festplatten (RAID) und Löschcodierung. Diese Funktionen helfen bei der Sicherung und beim Backup von Daten und können für die Verbesserung der Fehlertoleranz und der Wiederherstellungszeiten sehr wertvoll sein. 
• Schnittstellen-Kompatibilität: Wenn Sie die große Vielfalt an Speicherlösungen mit den unzähligen Konfigurationen von Betriebssystemen und Computerhardware kombinieren, wird die Kompatibilität zu einem wichtigen Thema. Speichercontroller helfen bei der Behebung von Kompatibilitätsproblemen, indem sie die verschiedenen Protokolle zwischen verschiedenen Speichergeräteschnittstellen (z. B. Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)) und unterschiedlicher Hardware und Betriebssysteme (z. B. Microsoft Windows, Linux) verwalten. 
• Cache-Verwaltung: Der integrierte Cache ist zwar nicht bei allen Optionen Standard, aber ein gemeinsames Merkmal aller Speichercontroller. Ein integrierter Cache mit dynamischer automatischer Verwaltung speichert häufig abgerufene Daten für einen schnellen Zugriff und unterstützt die Systeme bei der Optimierung für eine schnelle Reaktionsleistung.
• Unterstützung für logisches Volume-Management: Logical Volume Management (LVM) ist eine wichtige Technologie für die effiziente Partitionierung, Organisation und Nutzung des verfügbaren System-Speichers. LVM wird verwendet, um flexible und dynamische virtuelle Speicherpools, sogenannte logische Volumes, zu erstellen, indem physische Festplatten aus dem gemeinsam genutzten Speicherplatz zu Volume-Gruppen (VGs) zusammengefasst werden. Speichercontroller geben Systemadministratoren die Möglichkeit, Speichervolumes in Echtzeit zu verwalten und ihre Größe zu ändern, Backup zu erstellen und mehrere physische Festplatten zu konsolidieren. Diese Konsolidierung kann zu einem gemeinsam nutzbaren Pool für optimale Speicherkapazität bei minimaler Ausfallzeit werden.
• Überwachung und Berichterstattung: Speichercontroller überwachen die Speicherverfügbarkeit und -Leistung und sind äußerst nützlich für die Echtzeitüberwachung und Snapshots. Sie bieten wertvolle Erkenntnisse in den Speicherzustand, die Speicherleistung, Speicherkapazität und den Betriebsstatus der angeschlossenen Speichergeräte. Mit diesen Informationen sind Systemadministratoren besser darauf vorbereitet, proaktive Wartung durchzuführen und potenzielle Probleme zu identifizieren und zu beheben, um Ausfallzeit oder kritische Datenverlust zu vermeiden. 

Speichercontroller können je nach Schnittstelle oder Funktion in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden.

Während alle Speichercontroller für die Verwaltung der Kommunikation zwischen der CPU und den Speichergeräten verantwortlich sind, ist jeder Typ für bestimmte Zwecke und Umgebungen spezialisiert. 

Einige Schnittstellen basierte Speichercontroller, die speziell für Schnittstellenkompatibilität entwickelt wurden, umfassen Folgendes:

• SATA (AHCI)-Controller: SATA (AHCI)-Controller werden für die Verwaltung von SATA-basierten Speichergeräten verwendet, einschließlich SATA-HDDs und SSDs. Kostengünstig und gut für allgemeine Computeranwendungen geeignet. SATA ist eine gängige Schnittstelle, die in Verbrauchersystemen verwendet wird, einschließlich Desktops, Laptops, Spielgeräten und persönlichen Servern. Heimische Umgebungen und kleine Unternehmen mit geringem Speicherbedarf und geringerem Bedarf an Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung verwenden häufig SATA-Speicher und SATA-Speichercontroller.
• SAS-Controller: SAS-Controller werden mit SAS-HDDs (Serial Attached SCSI) und SSDs verwendet. SAS wird für Hochleistungs-Rechenaufgaben verwendet und unterstützt höhere Übertragungsraten als SATA. SAS-Controller sind häufig auch mit SATA-Geräten kompatibel und bieten eine Speichereinrichtung mit mehr Flexibilität und Optionen. Diese Arten von Controllern und Geräten sind häufig in Unternehmensumgebungen zu finden. Sie werden für große Datenbanken und komplexe Virtualisierungsaufgaben eingesetzt, wenn eine zuverlässige und schnelle Datenübertragung geschäftskritisch ist.

SAS-Controller eignen sich auch gut für die Verkettung mehrerer Speichergeräte, was sie zu einer guten Wahl für Unternehmen macht, die Wert auf skalierbare Lösungen legen. In diesen Situationen kann eine Hardwarekomponente, ein SAS-Expander eingesetzt werden, um die Anzahl der SAS- oder SATA-Festplattenlaufwerke zu erhöhen, die der Host Bus Adapter (HBA) eines Systems aufnehmen kann.

Funktionsbasierte Controller sind für die Aufnahme von Speichergeräten auf der Grundlage von Schnittstellenprotokollen und der beabsichtigten Funktionalität konzipiert. Hier sind einige Beispiele:

• RAID-Controller: RAID-Speichertechnologie kombiniert mehrere Speicherlaufwerke zu einem einzigen Speicherpool, um die Leistung und Redundanz zu verbessern. Durch Techniken wie Striping (Daten werden in kleinere Teile aufgeteilt, um ein schnelles gleichzeitiges Schreiben auf mehrere Laufwerke zu ermöglichen) und Mirroring (Daten werden aus Redundanzgründen dupliziert) bietet RAID Schutz vor Laufwerksausfällen und erhöht den Datendurchsatz. RAID-Controller sind so konzipiert, dass sie mehrere RAID-Level unterstützen – wie RAID 0, RAID 1, RAID 5 bis hin zu RAID 60 – und bieten jeweils verschiedene Stufen und Kombinationen von Leistung und Redundanz.
• Storage Array-Controller: Storage Array-Controller dienen zur Verwaltung riesiger Arrays von Speichergeräten, die für High-End-Systeme entwickelt wurden, die eine schnelle und hochverfügbare Datenübertragung mit zuverlässiger Redundanz erfordern. Storage-Array-Systeme, die diese Art von Controller verwenden, können zur Verbesserung der Funktionalität und Zuverlässigkeit über mehrere Controller verfügen.