Qu’est-ce qu’une baie 100 % flash (AFA) ?

Une baie 100 % flash (AFA) est un type de système de stockage de données externe qui utilise exclusivement des supports matériels de mémoire flash (c’est-à-dire des disques SSD (Solid State Drives)) pour le stockage persistant des données. L’AFA est également appelé système de disque de stockage à semi-conducteurs ou baie à semi-conducteurs (SSA).

À la différence des disques durs rotatifs (HDD), les SSD ne contiennent pas de pièces mobiles et sont plus rapides et plus durables. Comparés aux seuls disques durs, les systèmes de stockage tout-flash – composés de SSD ou de systèmes hybrides incluant des SSD et des HDD – permettent un accès plus rapide aux données, améliorent les vitesses de traitement et réduisent la charge du processeur. 

Le stockage flash varie en matière de capacité de stockage et de format. Certains disques SSD, comme ceux que l’on trouve dans les clés USB, sont plus petits qu’une pièce de 10 centimes. De plus, alors que les premiers disques SSD ne pouvaient contenir qu’une petite quantité de données, cette capacité de stockage s’est multipliée au fur et à mesure de l’évolution technologique, conformément à la loi de Moore.

Aujourd’hui, grâce à la technologie SSD, vous pouvez faire tenir un téraoctet de données (ou plus) sur le bout de votre doigt. En raison de leur taille compacte et de leur construction robuste à l’état solide, les SSD sont omniprésents dans les appareils électroniques tels que les ordinateurs portables, les tablettes, les mobiles et les consoles de jeu. 

Outre leurs applications grand public, les SSD et les AFA ont également révolutionné le stockage en entreprise. Traditionnellement, les centres de données d’entreprise ont recours aux HDD configurés en tant que stockage en réseau (NAS) ou en tant que réseaux de stockage (SAN), ou les deux, pour le stockage et la récupération des données. C’est jusqu’à ce que les progrès du stockage à semi-conducteurs aient fait des systèmes de stockage sur disque une alternative rentable et ait permis d’améliorer plusieurs performances adaptées aux applications hautes performances.

Les solid state drives sont généralement préférés aux disques durs. Cependant, les baies hybrides, qui configurent disques SSD et disques durs dans le même châssis, permettent aux fournisseurs de mettre à niveau les systèmes existants en remplaçant uniquement une partie des supports fixes par un système flash. De nos jours, les AFA ou baies hybrides, sont privilégiées pour les solutions NAS et SAN à l’échelle.

La mémoire flash est un type de stockage non volatile, qui utilise des transistors à semi-conducteur pour stocker des données et les récupérer. Les données stockées dans la mémoire flash sont persistantes et non volatiles : une fois que les données sont écrites dans l’unité de mémoire flash, celle-ci peut conserver, et conservera effectivement, les données même si elle est éteinte.

La technologie de mémoire flash se décline en deux versions, chacune s’appuyant sur son propre type d’architecture logique pour gérer les opérations de la puce mémoire :

• Flash NOR : ce type de mémoire flash utilise des portes logiques booléennes « NOT OR » pour lire et écrire les données. La mémoire flash NOR permet d’accéder rapidement aux bits de données aléatoires au sein du jeu stocké, mais affiche un temps d’écriture plus long et peut s’avérer plus coûteuse. La mémoire flash NOR est parfaite pour stocker des données telles que les microprogrammes et le code d’amorçage.

• Mémoire flash NAND : la mémoire flash NAND utilise des portes logiques booléennes « NON ET », ce qui est plus rentable pour le stockage de fichiers de grande taille. La mémoire flash NAND excelle dans l’accès séquentiel aux données, mais est plus lente que la mémoire flash NOR pour les lectures aléatoires. C’est pourquoi la mémoire flash NAND n’est pas très adaptée à l’exécution directe de code, mais elle est une excellente option pour le stockage de données volumineuses et à long terme.

D’un point de vue technique, la mémoire flash NAND stocke les données grâce à un agencement de transistors à grille flottante qui fonctionnent de la même manière que les portes logiques NOT AND. Chaque cellule de mémoire NAND contient une porte logique de contrôle et une porte logique flottante, séparées par une fine couche d’oxyde.

Grâce au processus d’injection tunnel Fowler-Nordheim, les données binaires peuvent être stockées de manière persistante dans la mémoire flash en envoyant une charge électrique dans la cellule, à une tension qui piège les électrons dans la grille flottante. Les données sont effacées en supprimant la charge. 

Même si la mémoire flash est disponible en version NOR ou NAND, le terme « stockage flash » désigne presque toujours la version NAND. Bien que les supports de stockage flash NAND se dégradent au fil du temps, ce qui nécessite un remplacement régulier du matériel au bout de quelques années, la mémoire NAND répond à de nombreux critères pour un stockage opérationnel idéal dans la plupart des situations.

Voici quelques caractéristiques importantes :

• Non volatile : la mémoire flash NAND conserve les données sans avoir besoin d’une alimentation continue. 

• Par blocs : la mémoire flash NAND écrit et efface les données sous forme de grands blocs d’informations, et non octet par octet. 

• Efficace à l’échelle : en raison de sa structure en blocs, la mémoire flash NAND est adaptée aux tâches informatiques séquentielles qui nécessitent de grandes quantités de données et un accès à l’échelle. La mémoire flash NAND est une option plus efficace et à plus haute densité que la mémoire flash NOR.  

• Durabilité : les unités de mémoire flash NAND et NOR sont beaucoup plus durables que les disques durs. Elles ne contiennent pas de pièces mobiles, ce qui peut constituer un point de défaillance pour les disques durs. De ce fait, la mémoire flash NAND est un bien meilleur choix du point de vue de la durabilité. La mémoire flash NAND est désormais privilégiée comme support de stockage de données transportable physiquement. Elle est ainsi régulièrement utilisée pour les appareils tels que les disques durs externes ou les ordinateurs portables. Cependant, bien que les supports de mémoire à semi-conducteurs soient nettement plus durables que ceux comportant des pièces mobiles, il existe une limite au nombre de fois où une unité de mémoire flash peut être réécrite. Bien que la mémoire flash non volatile soit généralement considérée comme indéfiniment sécurisée, ces types d’unités se dégradent au fil du temps, en raison d’une surutilisation ou d’une usure générale. Les bonnes pratiques exigent que les données stockées à long terme sur des unités de mémoire flash soient régulièrement validées et dupliquées sur du nouveau matériel de stockage. 

Grâce à sa taille compacte, sa rapidité, sa durabilité et sa grande capacité de stockage, la mémoire flash est devenue une solution de choix pour de nombreux appareils, comme les cartes mémoire, les clés USB, les smartphones, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques et d’autres appareils portables similaires. La mémoire flash est également prisée pour ses capacités de calcul plus importantes et sa plus grande permanence physique. 

Utilisés comme composant de stockage principal de toute baie 100 % flash (AFA), les disques SSD sont généralement des dispositifs de stockage à semi-conducteurs qui utilisent une mémoire flash NAND. Chaque puce de mémoire flash NAND se compose d’une matrice de blocs, appelée grille. Chaque bloc de la grille est composé d’une matrice de cellules de mémoire, appelées pages ou secteurs.

Les ingénieurs classent les cellules de mémoire en fonction du nombre de bits qu’elles peuvent stocker. Les cellules mononiveau (SLC) stockent 1 bit d’information, tandis que les cellules multiniveau (MLC), les cellules à trois niveaux (TLC) et les cellules à quatre niveaux (QLC) contiennent respectivement 2, 3 et 4 bits.

Chaque type de cellule présente ses propres avantages et défis. Par exemple, les SLC sont connus pour leur vitesse, mais aussi pour leur prix élevé, tandis que les QLC, plus abordables, peuvent s’avérer moins fiables. Selon le type de cellule, chaque grille du disque SSD peut stocker entre 256 Ko et 4 Mo de données.

Dans un système informatique personnel classique, l’unité centrale (CPU) principale de l’ordinateur fait office de contrôleur et dicte les tâches de lecture et d’écriture en mémoire. Une AFA peut disposer d’autres éléments matériels ou logiciels pour gérer ces tâches sur l’ensemble des disques SSD du réseau. 

À l’origine, les disques SSD étaient compatibles avec l’interface de stockage de mémoire SATA (Serial ATA), initialement développée pour les anciens disques durs. Capables d’atteindre une vitesse maximale d’environ 550 à 600 Mo/s, les SSD SATA sont plus rapides que les disques durs traditionnels.

Cependant, les disques SDD conçus pour les nouveaux protocoles NVMe (Nonvolatile Memory Express) peuvent profiter de l’interface PCI Express (PCIe) à haut débit. Cette conception leur permet d’atteindre des performances encore meilleures, les taux de transfert de données allant de 3 500 Mo/s à 14 000 Mo/s. En d’autres termes, les SSD NVMe sont environ 20 fois plus rapides que l’ancienne technologie SSD SATA.

Outre leur débit supérieur, les disques NVMe surpassent également les disques SATA lors des tests de latence et prennent en charge des milliers de files d’attente de commandes simultanées. Pour ces raisons, les SSD NVMe (et les AFA dotés de ces types de disque) sont idéaux pour les tâches exigeantes telles que le jeu sous haute performance, la création de contenu et le stockage d’entreprise. 

Selon Gartner, le SSD est en train de devenir la plateforme de stockage de choix pour prendre en charge les workloads de données structurées, et ce grâce aux innovations en matière de technologie flash NAND et de mémoire SCM (Storage Class Memory).

Les baies de stockage 100 % flash modernes intègrent logiciels avancés (et occasionnellement du matériel dédié) et disques NVMe haute performance pour regrouper efficacement les ressources provenant de plusieurs disques.

Pour aller plus loin, les meilleures baies 100 % flash tirent parti d’un protocole encore plus récent, NVMe over Fabrics (NVMe-oF), pour maximiser la vitesse de transfert des données et la latence au sein du SAN. Ces systèmes permettent aux hôtes de se connecter et de communiquer directement avec le stockage en intégrant des modules NVMe-oF personnalisés, à la place d’une baie de disques SSD NVMe séparés. 

Grâce à la mise en commun des ressources, les AFA créent une grande capacité de stockage, dotée des redondances nécessaires, tout en améliorant les performances et en accélérant la gestion du stockage. Les AFA ont aussi recours à des techniques avancées de réduction des données, dont la déduplication, la compression, les instantanés, la réplication et le provisionnement fin, pour améliorer de façon spectaculaire l’efficacité du stockage. 

La plupart des fournisseurs de baies 100 % flash proposent également des logiciels sophistiqués de surveillance, de gestion de données et de protection des données pour permettre aux administrateurs système de mieux suivre l’utilisation des ressources, la santé des systèmes et d’autres indicateurs pertinents. Ces outils aident les entreprises à éviter les goulots d’étranglement et à réagir rapidement aux incidents ou problèmes techniques potentiels.

Outre les logiciels de gestion, les produits AFA, comme le Pure Storage FlashBlade, le Dell Unity XT ou le HPE Alletra, proposent aussi des plug-ins et des extensions pour permettre aux systèmes de stockage sur disque de s’adapter rapidement aux workloads évolutifs et de s’intégrer de façon fluide aux environnements de cloud hybride ou VMware. 

Les deux principaux types d’architecture utilisés pour la technologie de stockage 100 % flash sont les suivants :

Les AFA scale-up suivent une architecture plus ancienne, qui permet d’ajouter du stockage supplémentaire à une baie existante.

Bien que l’architecture scale-up permette d’augmenter la capacité de manière simple et rentable, cette méthode peut créer des goulots d’étranglement, car le contrôleur central de gestion du stockage peut devenir un point de défaillance unique. 

Les AFA qui reposent sur une architecture scale-out permettent d’augmenter simultanément la capacité de stockage et la puissance de calcul, en ajoutant davantage de nœuds au système.

Les AFA scale-out sont un choix privilégié pour le stockage d’entreprise, car ils permettent d’adapter rapidement les besoins de stockage. En effet, ce type d’architecture garantit des performances constantes même lorsque le système se développe.  

Les baies 100 % flash (AFA) offrent un large éventail d’avantages essentiels, de l’évolutivité à la sécurité. Ces avantages sont parmi les plus importants d’une AFA.

Grâce à l’amélioration des performances, de la disponibilité et du prix de la technologie de mémoire flash, les baies 100 % flash (AFA) ont gagné en popularité dans de nombreux cas d’utilisation et secteurs :

• Virtualisation : les AFA jouent un rôle essentiel en fournissant les performances critiques et la prise en charge des fonctionnalités des logiciels d'hyperviseur exécutant des machines virtuelles et de l'infrastructure de bureau virtuel (VDI) . Pour la virtualisation, les AFA sont utilisés pour maintenir le débit de données élevé avec une latence d'accès minimale nécessaire pour les workloads virtualisés ininterrompus. 

• Big data et intelligence artificielle (IA) : les modèles IA sont également connus pour exiger de grands jeux de données pour la formation et les opérations. Les AFA sont adaptés aux applications Big Data telles que l'exécution d'algorithmes d'IA complexes qui nécessitent des performances de stockage importantes. 

• Reprise après sinistre (DR) et sauvegarde : bien que historiquement prohibitives en termes de coût, l'amélioration des prix et des performances de la mémoire flash a fait des solutions AFA une option viable pour la sauvegarde et la reprise après sinistre. Les vitesses de lecture/écriture rapides d'un AFA sont adaptées aux sauvegardes en plusieurs étapes. 

• Services financiers : les progrès de la technologie financière (fintech) ont marqué le début d’une ère de trading à haute fréquence exigeant des vitesses de traitement de données quasi-instantanées. Les AFA sont un excellent actif pour les fournisseurs de services financiers, car ils facilitent les transactions instantanées et l’analyse des données. 

• Médias et divertissements : des services de diffusion en continu aux marketplaces en ligne, les AFA sont un atout précieux pour les entreprises de médias et de divertissement désireuses de stocker de grandes quantités de fichiers de données et d’offrir des transferts de données à grande vitesse sur demande.

• Santé : dans le secteur de la santé, l’accès aux données peut littéralement sauver des vies. Les AFA offrent aux hôpitaux et aux professionnels de santé un accès rapide aux données pour accélérer les soins et améliorer leur qualité. 

• Centres de données : alors que notre quotidien et les entreprises modernes reposent de plus en plus sur d’immenses quantités de données, les centres de données s’efforcent constamment de répondre à la demande. Les AFA permettent un accès rapide et fiable aux données, tout en minimisant les temps d’arrêt.