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ulletin technique / Pause café
Christophe Menard - Storage Field Marketing Manager

Au cours des 25 dernières années, l’écart de performances au sein des infrastructures, entre processeurs et sous-ensembles système de stockage basé sur les disques durs s’est creusé de manière exponentielle au fi l des ans. Afin de répondre aux exigences de performances élevées des applications actuelles, les professionnels de l’informatique ont recours à des approches plus astucieuses les unes que les autres pour combler cet écart. Le recours à une quantité limitée de mémoire cache coûteuse, à divers types de RAID ou encore l’utilisation de micro logiciels intelligents en sont quelques exemples. Toutefois, malgré les progrès réalisés, les systèmes de stockage traditionnels sur disques durs luttent pour rester dans la course et s’adapter aux applications modernes qui exigent des performances d’E/S élevées.

Parce qu’il supprime les latences de recherche et de rotation typiques des systèmes de stockage sur disque dur, le stockage Flash offre un niveau de performances exceptionnel, notamment pour les E/S aléatoires. Et ceci est d’autant plus important actuellement dans l’univers des applications virtualisées, les schémas d’accès des E/S étant plus aléatoires que jamais en raison de l’effet « mixeur » de la virtualisation. Sans compter que les solutions de stockage Flash sont aujourd’*** vendues à un prix bien plus économique que la mémoire cache. Il est donc possible de déployer un système de stockage Flash de plus grande capacité que la mémoire cache, à l’image d’un système de stockage sur disque dur. Le stockage Flash se répand au sein des datacenters. Aussi les spécialistes du secteur prédisent-ils que les économies d’échelle vont abaisser le coût du stockage Flash au niveau du stockage sur disque dur. Et le stockage Flash remplacera ainsi, au fil du temps, le stockage sur disque dur.

Tous les disques de stockage Flash ne se valent pas

Bien que le mode de stockage Flash puisse facilement se substituer au stockage sur disque dur dans un datacenter, il s’agit bien d’un support radicalement différent (portes NAND en silicium ou électroniques au lieu d’un support magnétique) dont le niveau de performances, le coût et les caractéristiques de conservation des données diffèrent considérablement et peuvent influer sur l’aspect économique et opérationnel des charges de travail applicatives de votre datacenter. C’est la raison pour laquelle il est essentiel de maîtriser les fondamentaux de la technologie de stockage Flash avant d’opter pour ce mode de stockage.

 

  • Endurance en écriture : contrairement aux supports magnétiques du stockage sur disque dur, les données stockées sur un support Flash doivent être effacées avant de pouvoir écrire ou « programmer » de nouveaux éléments. Il s’agit du cycle de programmation/d’effacement. Le nombre maximum de cycles de programmation/d’effacement des portes NAND dans le cadre du stockage Flash est de l’ordre de quelques milliers. Au-delà, le niveau de performances et de fiabilité du disque de stockage Flash diminue considérablement (jusqu’à 10 fois moins performant). Cette caractéristique de la technologie Flash limite le nombre d’opérations d’écriture possible sur un disque Flash. Cette contrainte, qui correspond à l’endurance en écriture du disque Flash, se calcule en nombre de cycles d’écritures complètes du disque entier par jour.

 

  • Effet « Write Cliff » : s’il est nécessaire d’effacer un bloc de portes NAND sur un disque Flash avant de procéder à des opérations d’écriture, cela signifie que le disque Flash doit conserver des blocs pré-effacés pour améliorer le niveau de performances (même en cas de petit bloc en écriture), en éliminant les temps de latence éventuels si le cycle d’effacement n’est déclenché qu’en fonction des besoins. Si un disque Flash ne contient plus de blocs pré-effacés, en particulier si le disque arrive à saturation ou au cours d’une opération d’écriture intensive et constante, cela peut entraîner un long délai d’attente (plus de 50 millisecondes) pendant que le disque Flash essaie de créer un bloc de portes NAND disponibles. Cette diminution des performances en écriture du disque Flash correspond à l’effet « Write Cliff ».

 Les moyens de gérer l’endurance en écriture et l’effet « Write Cliff » d’un disque Flash sont nombreux et entraînent des répercussions sur son coût et sa durée de vie. Par exemple, le sur-provisioning des capacités consacrées à la gestion interne (hausse du rapport coût/Go) permet généralement d’éviter/de retarder l’effet « Write Cliff ». Et le processus de « wear leveling », ou gestion de l’usure, permet d’étendre les réécritures sur un même bloc vers d’autres emplacements du disque Flash afin de garantir une usure homogène du disque (et un allongement de sa durée de vie).

Aujourd’***, il existe trois types de disque Flash d’entreprise classiques sur le marché. Ces modèles varient en fonction de leur niveau d’endurance en écriture et de leurs performances. Le choix d’un disque Flash pour chacune de vos charges de travail applicatives peut influer sur les dimensions économique et opérationnelle de votre datacenter.

  • Disque optimisé pour la lecture ou disque Flash MLC (Multi-Layer Cell) : ce type de disque est optimisé pour les opérations de lecture. Généralement, les disques Flash MLC présentent une endurance en écriture de 1 à 3 cycles d’écritures complètes de disque par jour. Ce sont également les disques Flash d’entreprise les plus économiques.
  • Disque pour opérations d’écriture intensive ou disque Flash SLC (Single Layer Cell) : ce type de disque présente une performance et une endurance en écriture plus élevée. Ils sont généralement sur-provisionnés par rapport aux disques optimisés pour la lecture. L’endurance en écriture des disques Flash SLC est généralement de 20 à 30 cycles d’écritures complètes du disque par jour. Ce gain d’endurance en écriture a forcément un coût ; il s’agit donc du disque Flash d’entreprise le plus coûteux, mais également le plus fiable, et le plus performant..
  • Disque à utilisation mixte ou disque Flash eMLC (Enterprise MLC) : ce type de disque s’efforce d’offrir le juste équilibre entre les disques SLC et MLC tant sur le plan de l’endurance en écriture que du coût. L’endurance en écriture des disques à utilisation mixte est généralement comprise entre 5 et 10 cycles d’écritures du disque entier par jour.  

Déploiement de la technologie Flash dans une solution informatique d’entreprise

Comme illustré sur la figure 1, le stockage Flash peut intervenir dans les différentes couches d’une solution informatique afin d’augmenter les performances d’E/S des applications. Naturellement, comme pour toute technologie, il n’existe pas une seule approche adaptée à tous les cas d’utilisation. À vous d’adopter la bonne solution de stockage Flash pour la bonne application afin d’exploiter les avantages économiques et opérationnels associés au stockage Flash dans votre datacenter.

 

Technologie Flash en tant que cache dans une baie de stockage

Une des premières implémentations de la technologie Flash, fut son utilisation en tant que cache de niveau 2 dans la baie de stockage. Le but est d’introduire un support intermédiaire plus rapide entre le cache système basé sur la technologie DRAM et les disques durs, plus lents. Le logiciel de baie est doté de l’intelligence nécessaire pour l’utilisation des disques Flash en tant que cache de deuxième niveau. La mise en cache des données les plus utilisées (dites chaudes) dans une solution de stockage Flash permet de ne plus devoir lire les données à partir des disques durs, d’où une réduction des temps de latence et, de fait, une amélioration des performances des applications.

Cette approche, qui prévoit l’extension de la couche du cache du contrôleur de stockage en l’associant à une solution de stockage Flash, permet d’accélérer les performances. Toutefois, cette approche exige « un temps de chauffe » pour remplir le cache des demandes d’accès récurrentes aux charges de travail et va souvent de pair avec les inconvénients qui en découlent, la taille du cache étant limitée, elle se prête peu à des accès aléatoires qui n’auraient pas préalablement était stocké dans le cache.

 

Technologie Flash en tant que stratégie de hiérarchisation dans une baie de stockage

Le prix des solutions de stockage Flash a considérablement baissé au cours des dernières années. Sur la base d’un dollar par Go, le prix d’une solution de stockage Flash avoisine le prix d’un disque dur à 15 000 tr/min. Aussi est-il possible aujourd’*** de déployer plusieurs types de disque Flash pour bénéficier de plusieurs niveaux de stockage au sein d’une baie. Cette stratégie permet ainsi aux clients de déployer un système de stockage Flash de plus large envergure.

Figure 11 : Le stockage Flash peut être déployé sur différentes couches d’une solution informatique d’entreprise.

   

Associée à des fonctionnalités de hiérarchisation intelligentes, cette stratégie étend les avantages du stockage Flash à une plus grande partie des capacités déployées. Bien que cette approche permette d’allier disques durs et autres types de disques Flash et d’étendre les avantages du stockage Flash à une plus grande partie des capacités déployées, son efficacité dépend totalement de la maturité et de la flexibilité des fonctionnalités de hiérarchisation du logiciel de la baie.

 

Technologie Flash sur serveur pour l’accélération des applications

Cette stratégie vise à rapprocher les avantages du stockage Flash de l’application. Un bus PCI garantit des vitesses d’accès plus rapides que les interfaces des disques standard, telles que les disques SAS ou SATA. Ainsi, pour gagner en performances au profit des applications exécutées sur le serveur, cette stratégie consiste à placer les disques Flash directement sur le bus PCI haute vitesse et à fournir un logiciel intelligent qui permet au serveur d’utiliser la technologie de stockage Flash comme extension du cache de la mémoire serveur.

 Bien qu’elle permette une accélération exceptionnelle des performances au profit de charges de travail ciblées, cette stratégie entraîne la création d’ilots de stockage Flash isolés dans les serveurs. Par conséquent, ces avantages qui profitent aux applications exécutées sur un serveur physique particulier peuvent disparaître dans un datacenter virtualisé lorsqu’une charge de travail applicative est déplacée d’un serveur physique vers un autre. Ce fonctionnement en ilots induits par ailleurs potentiellement de points de faiblesses dans l’infrastructure au travers de SPOF (Single Point of Failure).

 

Baie de stockage 100 % Flash

Cette approche entend bouleverser le marché des baies de stockage traditionnelles en éliminant l’ensemble des disques durs et en offrant un système de stockage tout Flash. Si le matériel de la baie est fourni prêt à l’emploi ou peut être personnalisé, le micrologiciel et le logiciel de la baie sont personnalisés pour satisfaire aux caractéristiques du disque Flash mentionnées précédemment.

Certes, cette approche permet d’améliorer les performances de manière considérable et durable pour toutes les charges de travail exécutées sur le parc de serveurs attachés, mais à quel prix ? Et cette approche fait fi des fonctionnalités d’entreprise telles que la haute disponibilité et la protection des données. Aujourd’***, rares sont les charges de travail qui peuvent justifier le coût de ces baies, et se contenter de peu de fonctionnalités avancées.

  

Réflexions sur l’adoption de la technologie Flash

L’accélération des performances des applications est la première raison qui motive les entreprises à adopter une solution de stockage Flash. Les disques Flash électroniques sont censés, par nature, être bien plus rapides que les disques durs mécaniques. En revanche, le coût et le manque de maturité des fonctionnalités d’entreprise sont les principaux obstacles à une adoption rapide des disques Flash. Aussi est-il essentiel de comprendre les objectifs de votre organisation pour déterminer l’intérêt de la technologie Flash au sein de votre datacenter et, le cas échéant, les modalités de son application. Voici quelques points pour guider votre réflexion et vous aider à concevoir une stratégie adaptée à vos besoins.

  •  Caractéristiques des charges de travail : les caractéristiques des E/S propres à chaque charge de travail applicative du datacenter diffèrent. En effet, le rapport lecture/écriture et la structure des E/S (séquentielle ou aléatoire) varient en fonction des applications. Une parfaite appréhension des caractéristiques des E/S des charges de travail applicatives du datacenter est la clé pour choisir une stratégie Flash permettant d’optimiser le coût total de possession du stockage de votre datacenter. Le stockage Flash est une solution plus économique que le stockage sur disque dur pour les applications à lecture intensive dotées d’une structure d’E/S aléatoire, tandis que le coût total de possession des applications à écriture intensive dont la structure d’E/S est majoritairement séquentielle est en général inférieur dans un système de stockage sur disque dur. Une parfaite compréhension des caractéristiques des E/S des applications vous aidera, qui plus est, à choisir la solution de stockage Flash qu’il vous faut (entre les technologies SLC, MLC et eMLC) et ainsi à réduire au minimum vos coûts et les perturbations opérationnelles.
  •  Fonctionnalités d’entreprise  : en somme, la technologie Flash constitue un autre mode de stockage, mais avec des caractéristiques qui lui sont propres. S’il est important de tenir compte des particularités de la technologie Flash, cette technologie ne doit pas être déployée au détriment notamment des fonctionnalités d’entreprise suivantes : haute disponibilité, instantanés, réplication, hiérarchisation des données éprouvée et basée sur des règles, et gestion consolidée de l’infrastructure. Sans oublier que les solutions Flash qui sont uniquement tournées vers cette technologie n’offrent pas systématiquement les fonctionnalités d’une plateforme robuste de stockage d’entreprise.
  • Approche de la solution : le stockage Flash peut être déployé sur différentes couches d’une solution informatique d’entreprise (figure 1). Il s’avère donc d’autant plus important de gérer, d’exploiter et de protéger la solution Flash dans chaque couche. Une approche globale des solutions basées sur la technologie Flash est la garantie d’un coût total de possession et d’un retour sur investissement plus avantageux. Ces solutions Flash flexibles s’adaptent à tous les niveaux de l’entreprise. Elles sont également suffisamment pertinentes pour que l’intégration de leurs fonctionnalités à chacun de ces niveaux permette d’amplifier les avantages qu’elles offrent individuellement. À titre d’exemple, les solutions Flash capable d’intégrer de manière pertinente la présence de Flash au sein des serveurs applicatifs (ex. : mise en cache local), tout en assurant une parfaite compatibilité avec une baie de stockage Flash et ses technologies  (ex. : mise en cache, hiérarchisation, instantanés et réplication) optimisent vos investissements dans la technologie  à tous les niveaux de l’entreprise, diminuent le coût total de possession du stockage, maximisent la performance, et la fiabilité de votre infrastructure.

Conclusion

Le stockage Flash est l’une des avancées récentes les plus spectaculaires dans le domaine du stockage d’entreprise. Cette technologie peut être source de prouesses exceptionnelles, tant sur le plan des performances que des avantages économiques. Et si ces prouesses vont de pair avec la prévision d’une baisse du coût des modules Flash, ce sont autant d’éléments convaincants qui viennent plaider en faveur de l’adoption de ces solutions. Toutefois, comme pour toute nouvelle technologie vouée à un avenir prometteur, il convient d’avoir une parfaite compréhension de ses bénéfices et de ses contraintes, et d’opter pour un mode de déploiement judicieux afin d’augmenter les chances d’exploiter pleinement les avantages de cette technologie.

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