Pamięci masowe nowej generacji odpowiedzią na wykładniczy wzrost ilości danych

Wraz z rozwojem nowych technologii lawinowo rośnie ilość generowanych cyfrowo danych. Okazuje się, że najnowsze rozwiązania, takie jak sztuczna inteligencja, big data, internet rzeczy (IoT) czy 5G powodują wręcz wykładniczy wzrost ilości danych. Według prognoz IDC, tylko w tym roku wygenerowanych zostanie 59 ZB (zetabajtów) danych, które trzeba gdzieś przechować i przetworzyć. W jaki sposób nowoczesne pamięci masowe radzą sobie z tak dużymi ilościami informacji?

Materiał partnerski

Użytkownicy komputerów generują dziś niewyobrażalne ilości danych. Większość to treści wideo. Dziś każdy nagrywa swoim smartfonem krótkie lub czasem nawet dłuższe filmy, po czym publikuje je w internecie. Ale przechowywanie, a potem konsumpcja wideo przez innych nie jest wcale tak problematyczna dla nowoczesnych komputerów. Niezbędne są macierze dyskowe oferujące ogromne przestrzenie na dane, ale do tych celów stosować można nawet tradycyjne dyski twarde – koszt przechowywania 1 GB danych jest w ich przypadku znacznie niższy niż w przypadku nośników SSD.

Internet rzeczy, sztuczna inteligencja i big data to ogromne ilości danych

Są jednak obszary, w których wymagana jest nie tylko wysoka pojemność, ale także jak najwyższa wydajność pamięci masowej. To oznacza nie tylko jak najwyższą przepustowość przy transmisji danych, ale także jak najmniejsze opóźnienia. Te wymagania spełniają najnowszej generacji nośniki SSD z interfejsami NVMe.

W jakich obszarach niezbędna jest tak wysoka wydajność? Jednym z nich jest sektor finansowy. Niezliczona ilość transakcji bankowych czy zmieniających się kursów akcji wymaga nie tylko zabezpieczenia tych informacji na nośnikach danych, ale także natychmiastowego dostępu niezbędnego do analizy i przetwarzania, chociażby z pomocą algorytmów sztucznej inteligencji.

Ale niezwykle szybko rosnącym rynkiem jest obszar urządzeń internetu rzeczy (Internet of Things). Coraz więcej urządzeń i czujników wyposażonych jest w łączność, która umożliwia im przesyłanie informacji do dalszej analizy. Według danych publikowanych przez Statista, w chwili obecnej takich urządzeń jest ponad 36 miliardów, a do roku 2025 ta liczba się podwoi!

Urządzenia internetu rzeczy generują niewyobrażalne ilości danych, które byłyby bezużyteczne bez dalszej analizy. Tu pojawia się problem słynnego big data – czyli potężnych baz nieuporządkowanych danych, które same w sobie nie stanowią żadnej wartości, dopóki nie poddamy je odpowiedniej analizie i nie wyciągniemy z nich odpowiednich wniosków.

Nietrudno sobie jednak wyobrazić, że przy wykładniczo rosnącej ilości danych niezmiernie istotna jest możliwość szybkiego „sięgnięcia” do dowolnej informacji – a tu kluczowe są opóźnienia w dostępie (tzw. latency). Przedsiębiorstwa, które będą w stanie w umiejętny sposób wykorzystać gromadzone dane i wyłuskać z nich kluczowe informacje, uzyskają przewagę konkurencyjną nad organizacjami, które nie mają odpowiednich zasobów czy umiejętności.

Jak przyspieszyć nośnik danych?

Producenci sprzętu dwoją i się i troją w wymyślaniu kolejnych rozwiązań technologicznych do przechowywania danych. Prócz samego zwiększania pojemności kolejnych generacji nośników danych konieczne było też poprawienie innych kluczowych parametrów, jak szybkość transferu i czas dostępu. Fizyczna konstrukcja talerzowych dysków twardych jest jednak nie do przeskoczenia – chociaż producenci eksperymentowali z przyspieszeniem prędkości obrotowej z typowych 5400 czy 7200 obrotów na minutę do 10 czy nawet 15 tysięcy, to koszt produkcji takich napędów okazał się niewspółmiernie wysoki do uzyskanego zysku z wydajności.

Większym problemem jest czas dostępu do danych. Tu niestety ograniczeniem technicznym jest głowica, która fizycznie przemieszcza się w obudowie dysku twardego na odległość nawet kilkudziesięciu milimetrów. To przekłada się na czas dostępu na poziomie średnio 10 ms, co wydaje się niezwykle mało dla człowieka, ale przy przetwarzaniu ogromnych ilości danych przez komputery przełożyłoby się na wieczność…

Na szczęście już wiele lat temu w komputerach pojawiły się nośniki półprzewodnikowe typu SSD (Solid State Drive). Zamiast fizycznych talerzy i głowic wykorzystują one układy scalone. Nie tylko zaoferowały wyższą przepustowość danych, ale – co najważniejsze – diametralnie obniżyły czas dostępu do danych. W ich wypadku nie ma żadnych elementów ruchomych i sięgnięcie do konkretnej komórki zawierającej konkretną informację trwa nie 10 ms, a milionowe ułamki sekundy.

Początkowo nośniki SSD oferowane były w obudowach przypominających tradycyjne dyski twarde 3,5 lub 2,5”. Miały także typowe interfejsy SATA czy SAS, co pozwoliło na łatwą modernizację istniejących komputerów. Jednak ten typ interfejsów stworzony został na potrzeby dysków talerzowych w przypadku których występuje bardzo duże opóźnienie między żądaniem a odebraniem danych. W efekcie w ogóle nie uwzględniono możliwości i wymagań nieporównywalnie szybszych nośników SSD. W efekcie SAS/SATA stały się niezwykle wąskim gardłem dla takich nośników. Konieczne było opracowanie interfejsu nowej generacji.

NVMe uwalnia potencjał SSD

Na szczęście najwięksi producenci nośnikowych danych i półprzewodników stworzyli zupełnie nowy standard NVMe – Non-Volatile Memory Express, który umożliwia łączenie nośników danych przez super szybką magistralę PCI Express (PCIe). NVMe jest nieporównywalnie szybszy od wszystkich wcześniejszych standardów i tylko nośniki SSD z takim interfejsem są w stanie podołać dzisiejszym i przyszłym wymaganiom dotyczącym gromadzenia i przetwarzania cyfrowych danych.

Dziś interfejs NVMe jest już standardem stosowanym przez wszystkich producentów, co oznacza powszechną kompatybilność nośników z serwerami i macierzami. Producentom nośników SSD daje też zupełnie nowe możliwości tworzenia urządzeń o niespotykanej dotąd wydajności, która jest kluczowa w realizacji przyszłych aplikacji z zakresu IoT, big data czy sztucznej inteligencji. Gdy spojrzymy na specyfikacje najnowszych takich nośników, same liczby robią ogromne wrażenie. Dedykowany rozwiązaniom klasy Enterprise nośnik Western Digital Ultrastar DC SN840 pozwala na sekwencyjny odczyt danych z szybkością blisko 3500 MB/s (zapis 3300 MB/s) oraz realizowanie blisko 800 tysięcy operacji odczytu na sekundę i ponad 250 tysięcy operacji zapisu.

Producent gwarantuje także niezwykle dużą niezawodność tego urządzenia – średni czas między awariami (MTBF) szacowany jest na… 2,5 miliona godzin. To wartości nieosiągalne dla nośników mechanicznych, takich jak dyski twarde.

Western Digital Ultrastar DC SN840 oferowany jest w 2,5-calowej obudowie o grubości 15 mm i dostępny w pojemnościach od 1,6 do 15,36 TB. Standardowa obudowa i złącze U.2 NVMe umożliwiają instalację nośnika w dowolnym nowoczesnym serwerze czy macierzy.

Współczesne potrzeby przechowywania i przetwarzania danych zaspokoją jednak nie same pojedyncze nośniki, ale macierze dyskowe, chociaż to już pojęcie trochę z poprzedniej epoki. Dziś mówimy o wyspecjalizowanych platformach do przechowywania danych. W ich wypadku kluczowe jest wykorzystanie pełnego potencjału najwydajniejszych nośników SSD z interfejsem NVMe, bez wąskich gardeł ograniczających przepustowość lub czas dostępu. Wymagało to zaprojektowania takich platform od nowa, ale już dziś można je kupić i zainstalować we własnym centrum danych. Najnowszym urządzeniem tego typu jest Western Digital OpenFlex Data24 NVMe-OF. Maszyna ma obudowę typu 2U i z łatwością daje się ją zainstalować w szafie rackowej. Pojedyncza maszyna oferuje pojemność sięgającą 368 TB, którą osiąga się po instalacji 24 wspomnianych wyżej nośników Ultrastar DC SN840 w wersji 15,36 TB każdy.

To jedno z najwydajniejszych rozwiązań do przechowywania danych na rynku, które pozwoli na wdrażanie najnowszych aplikacji i realizację najbardziej wymagających współczesnych projektów.

Artykuł powstał we współpracy z firmą Western Digital