Cos'è un all flash array (AFA)?

Un all-flash array (AFA) è un tipo di sistema di data storage esterno che utilizza esclusivamente supporti hardware di memoria flash, ovvero unità solid-state drive (SSD) per lo storage persistente dei dati. L'AFA è anche chiamato sistema di dischi di storage a stato solido o solid-state array (SSA).

A differenza degli hard disk drive (HDD) a disco rotante, le SSD non contengono parti mobili e offrono velocità e durata migliorate. Rispetto ai soli HDD, i sistemi all-flash storage, composti da SSD o da sistemi ibridi composti da SSD e HDD, consentono un accesso più rapido ai dati migliorando la velocità di elaborazione e riducendo il carico della CPU. 

Il flash storage varia sia in termini di storage che di fattore di forma. Alcuni SSD, come quelli che si trovano nelle unità flash USB, sono più piccoli di una monetina da un centesimo. Mentre i primi SSD potevano contenere solo una piccola quantità di dati, con il progredire della tecnologia e in conformità con la Legge di Moore, quella capacità di storage si è moltiplicata.

Oggi, grazie alla tecnologia SSD, è possibile gestire molto facilmente un terabyte di dati (o più). Grazie alle loro dimensioni compatte e alla robusta struttura a stato solido, le unità SSD sono onnipresenti nell'elettronica, ad esempio all'interno di laptop, tablet, telefoni cellulari e console di gioco. 

Oltre alle applicazioni di livello consumer, anche gli SSD e gli AFA hanno avuto un impatto rivoluzionario sullo storage aziendale. Tradizionalmente, i data center organizzativi si affidavano a HDD configurati come network-attached storage (NAS) o storage area network (SAN), o a entrambi, per il data storage e il recupero dei dati. Questo fino a quando i progressi nello storage non hanno reso gli all flash array un'alternativa conveniente e hanno introdotto diversi miglioramenti delle prestazioni adatti alle applicazioni ad alte prestazioni.

In genere, le unità solid-state drive sono preferibili ai dischi rigidi. Tuttavia, gli array ibridi che configurano SSD e HDD all'interno dello stesso chassis consentono ai fornitori di aggiornare i sistemi esistenti sostituendo solo una parte dei supporti fissi con la tecnologia flash. Gli AFA, o array ibridi, sono attualmente la scelta principale per le soluzioni NAS e SAN su larga scala.

La memoria flash è un tipo di storage non volatile che utilizza transistor a semiconduttore per memorizzare e recuperare dati. I dati archiviati nella memoria flash sono persistenti e non volatili, il che significa che una volta scritti su un'unità di memoria flash l'unità è in grado di conservali anche se spenta.

La tecnologia di memoria flash è disponibile in due varietà, differenziate in base al tipo di architettura logica utilizzata per gestire le operazioni del chip di memoria:

• NOR flash: questo tipo di memoria flash utilizza porte logiche booleane "NOT OR" per leggere e scrivere dati. NOR flash è veloce per accedere a bit casuali di dati all'interno di un set memorizzato, ma ha tempi di scrittura più lenti e può essere più costoso. La memoria flash NOR è la soluzione ideale per la memorizzazione di dati come firmware e codice di avvio.

• Flash NAND: la memoria flash NAND utilizza le porte logiche booleane "NOT AND", che è più economica per memorizzare file di grandi dimensioni. La memoria flash NAND eccelle nell'accesso sequenziale ai dati, ma è più lenta della memoria flash NOR per le letture casuali. Per questi motivi, la memoria flash NAND non è adatta per l'esecuzione diretta del codice, ma è un'ottima opzione per il data storage a lungo termine e su larga scala.

A livello tecnico, la memoria flash NAND memorizza i dati utilizzando una disposizione di transistor floating-gate che funzionano in modo simile alle porte logiche NOT AND. Ogni cella di memoria NAND contiene sia una porta logica di controllo che una porta logica flottante, separate da un sottile strato di ossido.

Attraverso il processo di tunneling di Fowler-Nordheim, i dati binari possono essere memorizzati in modo persistente nella memoria flash inviando una carica elettrica nella cella, a una tensione che intrappola gli elettroni nella porta mobile ("floating"). A loro volta, i dati possono essere cancellati rimuovendo la carica. 

Sebbene la memoria flash sia disponibile sia nella versione NOR che NAND, l'espressione "flash storage" indica quasi sempre la memoria flash NAND. Nonostante il flash storage NAND si degradi nel tempo e richieda una sostituzione regolare dell'hardware dopo alcuni anni, la memoria NAND soddisfa molti criteri per uno storage operativo ideale nella maggior parte delle situazioni.

Di seguito sono riportate alcune caratteristiche importanti:

• Non volatile: la memoria flash NAND può conservare i dati senza bisogno di alimentazione continua. 

• Basato su blocchi: la memoria flash NAND scrive e cancella i dati in grandi blocchi di informazioni, al contrario di un Approccio byte per byte. 

• Efficiente su larga scala: grazie alla sua struttura a blocchi, la memoria flash NAND è adatta per le attività di calcolo sequenziale che richiedono grandi quantità di storage e accesso ai dati su larga scala. La memoria flash NAND è un'opzione più efficiente e ad alta densità rispetto alla memoria flash NOR.  

• Durevole: entrambe le unità di memoria flash NAND e NOR sono molto più durevoli delle unità HDD. Le unità di memoria flash non contengono parti mobili, il che può essere un punto di errore per le unità HDD. La memoria flash NAND è quindi una scelta di gran lunga superiore quando la durata è un fattore importante. La memoria flash NAND è diventata la scelta ideale per le soluzioni di data storage che potrebbero dover essere trasportate fisicamente e viene costantemente utilizzata per dispositivi come dischi rigidi esterni portatili o laptop. Tuttavia, mentre i supporti di memoria a stato solido sono decisamente più durevoli delle unità di memoria con parti mobili, c'è un limite al numero di volte in cui un'unità di memoria flash può essere riscritta. Sebbene la memoria flash non volatile sia comunemente considerata sicura per sempre, questi tipi di unità si degradano nel tempo, a causa di un uso eccessivo o di un decadimento generale. Le best practice impongono che i dati memorizzati a lungo termine su unità di memoria flash debbano essere regolarmente convalidati e periodicamente duplicati su nuovo hardware di memoria. 

Ideale per le sue dimensioni compatte, le alte velocità, la robusta durata e l'alta capacità di storage, la memoria flash è diventata la soluzione preferita per molti dispositivi. Questi dispositivi includono schede di memoria, unità flash USB, smartphone, laptop, fotocamere digitali e dispositivi portatili simili. Tuttavia, la memoria flash è anche ideale per elaborazioni più grandi e fisicamente permanenti. 

Utilizzate come componente di storage principale di qualsiasi array all-flash (AFA), le unità solid-state drive (SSD) sono in genere dispositivi di archiviazione basati su semiconduttori che utilizzano la memoria flash NAND. Ogni chip di memoria flash NAND è costituito da una serie di blocchi, nota come griglia. Ogni blocco nella griglia è costituito da una serie di celle di memoria, denominate pagine o settori.

Gli ingegneri classificano le singole celle di memoria in base al numero di bit che possono memorizzare. Le celle a livello singolo (SLC) memorizzano 1 bit di informazioni, mentre le celle a più livelli (MLC), le celle a tre livelli (TLC) e le celle a quattro livelli (QLC) contengono 2, 3 e 4 bit.

Ogni tipo di cella ha i suoi benefici e le sue sfide. Ad esempio, gli SLC sono noti per l'alta velocità, ma anche per i prezzi elevati, mentre i QLC più convenienti potrebbero essere meno affidabili delle loro alternative più costose. A seconda del tipo di cella, ogni griglia all'interno dell'SSD può memorizzare tra 256 KB e 4 MB di dati.

In un tipico sistema di personal computing, l'unità centrale di elaborazione (CPU) del computer funge da controller, dettando qualsiasi lavoro di lettura e scrittura sulla memoria. Un AFA può avere altro hardware o software per aiutare a gestire queste attività sull'intera gamma di SSD in rete. 

Originariamente, gli SSD drive erano compatibili con l'interfaccia di storage SATA (serial ATA) sviluppata inizialmente per HDD più vecchi. Con una velocità massima di circa 550-600 MB/s, gli SSD SATA sono più veloci degli HDD tradizionali.

Tuttavia, gli SDD progettati per i nuovi protocolli NVMe (Nonvolatile Memory Express) possono utilizzare al meglio l'interfaccia PCI Express (PCIe) ad alta velocità. Questo design consente loro di ottenere prestazioni ancora migliori, con velocità di trasferimento dati da 3.500 MB/s fino a 14.000 MB/s. In altre parole, gli SSD NVMe sono circa 20 volte più veloci della vecchia tecnologia SSD SATA.

Offrendo molto più che un aumento del throughput, le unità NVMe superano anche le unità SATA nei test di latenza e supportano migliaia di code di comandi simultanee. Per questi motivi, le unità SSD NVMe e gli AFA con queste caratteristiche sono ideali per attività impegnative come giochi ad alte prestazioni, creazione di contenuti e storage aziendale. 

Secondo Gartner, gli SSD stanno emergendo come la piattaforma di storage ideale per supportare i workload dei dati strutturati, a sua volta alimentata dall'innovazione relativa alla tecnologia NAND flash e a quella della classe di storage (SCM).

I moderni all-flash storage array integrano software avanzato (e occasionalmente hardware dedicato) con unità NVMe ad alte prestazioni per raggruppare in modo efficiente le risorse da più unità.

Facendo un ulteriore passo avanti, i migliori array all-flash utilizzano un protocollo ancora più recente, NVMe over Fabrics (NVMe-oF), per massimizzare le velocità di trasferimento dei dati e le latenze in una SAN. Questi sistemi consentono agli host di connettersi e comunicare direttamente con lo storage, integrando moduli NVMe-oF personalizzati al posto di una serie di SSD NVMe separati. 

Riunendo le risorse, gli AFA creano un'ampia capacità di storage con le ridondanze necessarie, offrendo al contempo maggiore velocità delle prestazioni e di gestione dello storage. Gli AFA utilizzano anche tecniche avanzate di riduzione dei dati, tra cui deduplicazione dei dati, compressione, snapshot, replica e thin provisioning, per migliorare notevolmente l'efficienza dello storage. 

La maggior parte dei fornitori di all flash array offre anche software di monitoraggio avanzato, gestione dei dati e protezione dei dati per supportare gli amministratori di sistema responsabili del monitoraggio delle risorse, dello stato di salute e delle altre metriche pertinenti. Questi strumenti aiutano le organizzazioni a evitare i colli di bottiglia e a rispondere rapidamente a qualsiasi potenziale problema tecnico o incidente.

Oltre al software di gestione, i prodotti AFA come Pure Storage FlashBlade, Dell Unity XT o HPE Alletra offrono anche plug-in ed estensioni per consentire ai sistemi di storage all-flash di adattarsi rapidamente ai workload in evoluzione e di integrarsi perfettamente con ambienti hybrid cloud o VMware. 

Quelle che seguono sono le due architetture principalmente utilizzate per la tecnologia all flash storage.

Gli AFA scalabili seguono un'architettura più vecchia, che consente di aggiungere storage a un array esistente.

Sebbene l'architettura scalabile rappresenti un modo semplice ed economico per aumentare la capacità, questo metodo può portare a colli di bottiglia perché il controller di gestione dello storage centrale può diventare un singolo punto di errore. 

Gli AFA che utilizzano un'architettura scalabile consentono l'aggiunta simultanea di maggiore capacità di storage e potenza di calcolo, aggiungendo più nodi al sistema.

Gli AFA scalabili sono la scelta preferita per lo storage aziendale, grazie al potenziale per le esigenze di storage in rapida espansione, perché questo tipo di architettura garantisce prestazioni costanti anche se il sistema cresce.  

Gli all-flash array (AFA) offrono un'ampia gamma di benefici mission-critical, dalla scalabilità alla sicurezza. Questi benefici sono tra i più importanti di un AFA.

Con il miglioramento della tecnologia di memoria flash in termini di prestazioni, disponibilità e convenienza, gli array all flash (AFA) sono diventati popolari in molti casi d'uso e settori:

• Virtualizzazione: gli AFA sono stati fondamentali per fornire le prestazioni critiche e il supporto delle funzionalità del software hypervisor che esegue macchine virtuali e infrastrutture desktop virtuali (VDI). Per la virtualizzazione, gli AFAs vengono utilizzati per sostenere l'elevato throughput di dati con una latenza di accesso minima necessaria per workload virtualizzati ininterrotti. 

• Big data e intelligenza artificiale (AI): i modelli di AI sono noti anche per richiedere grandi set di dati per l'addestramento e il funzionamento. Gli AFA sono adatti per le applicazioni di big data come l'esecuzione di algoritmi di AI complessi che richiedono prestazioni di storage significative. 

• Disaster recovery (DR) e backup: sebbene storicamente proibitivi in termini di costi, il miglioramento dei prezzi e delle prestazioni delle memorie flash ha reso le soluzioni AFA una valida opzione per il backup e il disaster recovery. Le elevate velocità di lettura/scrittura di un AFA sono adatte ai backup multifase. 

• Servizi finanziari: i progressi della tecnologia finanziaria (fintech) hanno inaugurato un'era di trading ad alta frequenza che richiede velocità di trattamento dei dati quasi istantanee. Gli AFA sono un asset straordinario per i fornitori di servizi finanziari, in quanto facilitano le transazioni istantanee e gli analytics. 

• Media e intrattenimento: dai servizi di streaming ai marketplace multimediali online, gli AFA sono preziosi per le società di media e intrattenimento che cercano di memorizzare elevate quantità di file di dati di grandi dimensioni e fornire trasferimenti di dati ad alta velocità on-demand. 

• Assistenza sanitaria: nel settore sanitario, l'accesso ai dati può letteralmente salvare vite umane. Gli AFA offrono agli ospedali e agli operatori sanitari un accesso rapido ai dati che può facilitare un'assistenza tempestiva ed efficace. 

• Data center: poiché la vita moderna e i settori dipendono sempre più da enormi quantità di dati, i data center si sforzano costantemente di soddisfare la domanda. Gli AFA facilitano l'accesso rapido e affidabile ai dati, riducendo al minimo il tempo di inattività.