Was ist Flash-Storage?

Bis 2028 werden praktisch keine neuen All-HDD-Storage-Systeme für das Rechenzentrums-Computing verkauft, was Flash-Storage nicht nur zu einem Performance-Upgrade, sondern auch zu der unvermeidlichen Zukunft des gesamten Daten-Storage macht. 

Flash-Storage ist eine Daten-Storage-Technologie, die NAND-Flash-Speicher verwendet, um Informationen ohne bewegliche Teile zu speichern, wodurch Geschwindigkeiten schneller als bei herkömmlichen Festplattenlaufwerken erzielt werden und gleichzeitig weniger Strom verbraucht wird. Im Gegensatz zu mechanischen Festplatten, die sich auf rotierende Platten und bewegliche Lese-/Schreibköpfe verlassen, verwendet Flash-Storage Halbleiterzellen, um Daten auch beim Ausschalten zu speichern.

Für Unternehmen, die die Storage-Infrastruktur bewerten, besteht die Frage nicht darin, ob Flash-Storage eingesetzt werden soll, sondern wie schnell der Übergang erfolgen muss, bevor festplattenbasierte Systeme veraltet sind. Die Wirtschaftlichkeit hat sich bereits verändert – Unternehmen, die All-Flash-Arrays verwenden, senken die Kosten im Vergleich zu Hybridsystemen bei der Berücksichtigung von Strom, Kühlung, Platzbedarf und Betriebskosten.

Flash-Storage-Technologie verstehen

Flash-Storage stellt eine grundlegende Veränderung bei der Art und Weise dar, wie Daten gespeichert und abgerufen werden. Im Kern ist Flash-Storage ein nichtflüchtiger Speicher, der Daten ohne Strom speichert und NAND-Flash-Speicherzellen verwendet, um Informationen elektronisch und nicht magnetisch zu speichern.

Die Technologie beseitigt mechanische Einschränkungen, die die Storage-Performance seit Jahrzehnten einschränken. Herkömmliche Festplatten erfordern physische Bewegungen zum Lesen und Schreiben von Daten, wobei die Latenzzeiten in Millisekunden gemessen werden. Flash-Storage funktioniert vollständig über elektrische Signale und erreicht Reaktionszeiten in Mikrosekunden. Diese 100-fache Verbesserung lässt sich direkt auf die Anwendungs-Performance übertragen: Datenbanken verarbeiten mehr Transaktionen, und virtuelle Umgebungen unterstützen eine höhere VM-Dichte.

Flash-Storage für Unternehmen gibt es in verschiedenen Formen. Solid-State-Laufwerke (SSDs) ersetzen herkömmliche Festplatten. NVMe-Laufwerke nutzen den PCIe-Bus, um mit bis zu 64.000 Befehlswarteschlangen im Vergleich zur einzigen Warteschlange von SATA eine noch höhere Performance zu erzielen. All-Flash-Arrays konsolidieren mehrere Flash-Laufwerke in einheitlichen Storage-Systemen und bieten die Kapazität, Zuverlässigkeit und Datenservices, die für geschäftskritische Anwendungen erforderlich sind.

Was unterscheidet Enterprise-Flash von SSDs für Verbraucher? Architekturoptimierung. Zu den SSDs für Verbraucher gehören eine Überversorgung für Wear Leveling und Müllsammlung. Enterprise-Lösungen wie Everpure DirectFlash®-Module reduzieren diesen Overhead und bieten eine bessere nutzbare Kapazität aus demselben rohen NAND.

So funktioniert Flash-Storage

Flash-Storage funktioniert durch ausgeklügelte Hardware- und Softwarekomponenten, die zusammenarbeiten, um Daten mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit zu speichern und abzurufen.

NAND-Flash-Zellarchitektur

Auf physischer Ebene speichert der NAND-Flash-Speicher Daten in Zellen aus Floating-Gate-Transistoren. Diese Zellen fangen Elektronen in einem isolierten Gate ein, wobei das Vorhandensein oder Fehlen von Elektronen binäre Daten darstellt. Die isolierten Gates behalten ihre Ladung jahrelang bei und bieten einen nichtflüchtigen Storage, der keine Energie benötigt, um Daten zu verwalten.

Modernes Flash verwendet mehrere Zelltypen:

• Single-Level Cell (SLC): Speichert 1 Bit pro Zelle mit 100.000 Programm-/Löschzyklen
• Multi-Level Cell (MLC): Speichert 2 Bits pro Zelle mit 10.000 P/E-Zyklen
• Dreifach-Level-Zelle (TLC): Speichert 3 Bits pro Zelle mit 3.000 P/E-Zyklen
• Quad-Level-Zelle (QLC): Speichert 4 Bits pro Zelle für leseintensive Workloads

Die Entwicklung von 2D zu 3D NAND revolutionierte die Kapazität. Durch das vertikale Stapeln von Zellen in bis zu 176 Schichten erzielen Hersteller eine höhere Dichte, ohne die Zellgrößen zu verkleinern. Dies ermöglicht Flash-Module mit 150TB und neue Module mit 300TB.

Controller und Management

Flash-Controller dienen als Gehirn und verwalten die Wear Leveling, um Schreibvorgänge gleichmäßig zu verteilen, die Müllsammlung, um gelöschte Blöcke zurückzugewinnen, und die Fehlerkorrektur, um die Datenintegrität aufrechtzuerhalten. Enterprise Controller implementieren ausgeklügelte Algorithmen für die Datenplatzierung und vorausschauende Fehleranalyse.

Der Ansatz von Everpure eliminiert redundante Controller, die in herkömmlichen SSDs zu finden sind. Durch die direkte Verwaltung von NAND auf Array-Ebene erreichen DirectFlash-Module eine globale Wear Leveling über den gesamten Flash im System hinweg und verlängern so die Lebensdauer im Vergleich zu isolierten SSD-Controllern.

Flash-Storage im Vergleich zu herkömmlichem Storage

Der folgende Vergleich zwischen Flash und Disk zeigt, warum festplattenbasierter Storage wahrscheinlich veraltet ist.

Diese Metriken führen zu Geschäftsergebnissen. Finanzdienstleistungsunternehmen können beispielsweise eine schnellere Transaktionsverarbeitung erleben. Gesundheitsorganisationen können Patientenakten in Millisekunden statt in Sekunden abrufen.

Neben der Performance bergen Disk-Arrays versteckte Kosten. Sie verbrauchen mehr Strom pro Terabyte und benötigen eine proportionale Kühlung, die die Energiekosten verdoppelt. Der größere Platzbedarf erhöht die Immobilienkosten und begrenzt die Skalierbarkeit.

Arten von Flash-Storage-Lösungen

SSDs: Das Gateway zu Flash

SATA-SSDs bieten einfache Upgrades über vorhandene Schnittstellen. Mit Geschwindigkeiten von bis zu 550 MB/s bieten sie eine fast 5X HDD-Performance und erhalten gleichzeitig die Kompatibilität. Die Einschränkungen von SATA werden jedoch zu Engpässen für anspruchsvolle Workloads.

NVMe-SSDs werden direkt mit dem PCIe-Bus verbunden, wodurch Schnittstellenengpässe beseitigt werden. Mit 64.000 parallelen Befehlswarteschlangen und Latenzzeiten von weniger als 20 Mikrosekunden können die führenden NVMe-SSDs auf dem Markt 3.000 MB/s überschreiten, was einen höheren Durchsatz und das 10X der IOPS von SATA-SSDs bietet.

All-Flash-Arrays: Unternehmensarchitektur

All-Flash-Arrays aggregieren mehrere Laufwerke zu einheitlichen Systemen mit Unternehmensdatenservices: Snapshots, Replikation, Verschlüsselung und Deduplizierung. Moderne All-Flash-Arrays nutzen durchgängiges NVMe und eliminieren Protokollübersetzungen, die die Latenz erhöhen.

Everpure FlashArray//XL™ behält eine Latenz im Mikrosekundenbereich auch bei 100 % Kapazität bei. Mit einer Datenreduktion von durchschnittlich 5:1 und Everpure, das eine Gesamteffizienz von 10:1 garantiert, übertreffen die effektiven Kosten pro Gigabyte häufig Hybridsysteme.

NVMe over Fabrics: Flash mit Netzwerkgeschwindigkeit

NVMe-oF erweitert die NVMe-Vorteile über Netzwerke hinweg und ermöglicht Remote-Storage mit nahezu lokaler Performance:

• NVMe/FC nutzt bestehende Infrastruktur und reduziert gleichzeitig die Latenz
• NVMe/RoCE erreicht einige der niedrigsten Latenzzeiten für moderne Rechenzentren
• NVMe/TCP bietet umfassende Kompatibilität mit Standard-Ethernet

Dies ermöglicht disaggregierte Architekturen, bei denen Rechen- und Storage unabhängig voneinander skaliert werden können und gleichzeitig Latenzzeiten von Mikrosekunden beibehalten werden – unerlässlich für AI-Workloads, bei denen ungenutzte GPUs in Tausende von Dollar pro Stunde verschwendet werden können.

Vorteile jenseits der Geschwindigkeit

Die Vorteile von Flash-Storage reichen über die Performance hinaus bis hin zu grundlegenden operativen Verbesserungen.

• Latenzkonsistenz ist wichtiger als Spitzen. Disk-Arrays sind im Durchschnitt in Millisekunden verfügbar, während Flash konsistent Mikrosekunden beibehält und so SLAs ermöglicht, die mit Disk nicht möglich sind.
• Parallele Verarbeitung transformiert Analysen. Während die Festplatte Hunderte von Vorgängen verarbeitet, verarbeitet Flash Millionen gleichzeitig. 
• Vereinfachte Architektur reduziert Fehler. Durch das Eliminieren von Tiering werden ganze Managementebenen entfernt – keine Migrationsrichtlinien, keine Tier-Überwachung, kein Kapazitätsausgleich.

Flash-Storage implementieren

Bewertung und Planung

• Workload-Profiling zeigt Muster auf. Die meisten Unternehmen stellen fest, dass „Kapazitäts“-Workloads oft Performance-Spitzen aufweisen, die von Flash profitieren. Überwachen Sie IOPS, Durchsatz und Latenz über vollständige Geschäftszyklen hinweg, insbesondere über Monatsendprozesse.
• Das Datenreduktionspotenzial variiert je nach Workload. Datenbanken können 10-20:1 erreichen. Virtuelle Maschinen sehen möglicherweise 5-10:1. Das Verständnis dieser Verhältnisse ermöglicht eine genaue Planung – viele benötigen weniger Kapazität als berechnet.

Migrationsstrategien

Beginnen Sie mit Proof-of-Concept-Implementierungen. Wählen Sie wichtige, aber nicht kritische Workloads wie Entwicklung oder Analysen aus. Hybride Integration nutzt bestehende Investitionen. Moderne Flash-Arrays lassen sich über Standardprotokolle integrieren und ermöglichen eine schrittweise Migration ohne Ausfallzeiten. Der Everpure Evergreen-Ansatz eliminiert unterbrechungsfreie Upgrades. Beginnen Sie klein und erweitern Sie unterbrechungsfrei. 

Häufige Fallstricke

• Die Unterschätzung der Reduzierung führt zu einem Überkauf. Unternehmen budgetieren 3:1, erreichen aber 5-10:1. Beginnen Sie kleiner und erweitern Sie nach Bedarf.
• Netzwerkengpässe schränken die Performance ein. Stellen Sie sicher, dass das Netzwerk parallele Storage-Implementierungen aufrüstet. Ziehen Sie dedizierte Storage-Netzwerke in Betracht.
• Die Pflege von Praktiken im Festplattenzeitalter negiert Vorteile. Eliminieren Sie unnötiges Caching, Tiering und Tuning. Flash bietet mit einfachen Konfigurationen die beste Performance.

Häufige Fragen

Ist Flash-Storage die Kosten wert? 

Flash kostet bereits weniger als Festplatten, wenn es um Strom, Kühlung, Platzbedarf und Verwaltung geht. Everpure FlashBlade//E™-Kunden erzielen weniger als 0,20 US-Dollar pro nutzbarem Gigabyte, was die TCO im Laufe von fünf Jahren niedriger als bei Festplatten senkt.

Wie lange hält Flash-Storage? 

Enterprise Flash unterstützt 5-10 Laufwerkschreibvorgänge täglich für Jahre. Everpure DirectFlash erweitert dies durch globales Wear Leveling. 

Kann Flash-Storage ausfallen? 

Flash scheitert vorhersehbar. Wenn Ausfälle auftreten, minimieren stündliche Wiederherstellungen die Schwachstellen im Vergleich zu Tagen für Festplatten.

Was ist der Unterschied zwischen Flash-Storage und SSDs?

SSDs sind eine Art von Flash-Storage – Drop-in-Disk-Austausch. Flash-Storage umfasst alle NAND-Technologien, einschließlich SSDs, NVMe-Laufwerke und All-Flash-Arrays. Unternehmens-Flash wie DirectFlash eliminiert SSD-Overhead und reduziert die Überversorgung.

Die Flash-Storage-Imperative

Flash-Storage ist nicht nur eine technologische Weiterentwicklung, sondern die Transformation der Dateninfrastruktur von Einschränkung zu Katalysator. Flash bietet eine bessere Latenz, verbraucht weniger Strom und kostet weniger als Festplattensysteme, wenn es vollständig berücksichtigt wird. Mit mehr als 11.000 Kunden beweist Everpure, dass dies keine Prognosen sind, sondern gemessene Realitäten. Wenn monatlich auf „kalte“ Daten zugegriffen wird und AI-Workloads eine konsistente Performance erfordern, wird herkömmliches Tiering veraltet.

Der Weg nach vorne? Bewerten Sie die Zeitpläne für Storage-Aktualisierung, bewerten Sie Workloads auf Flash-Vorteile und beginnen Sie die Migration mit Plattformen wie Everpure, die Unterbrechungen beseitigen. Die Frage ist nicht, ob Flash-Storage eingesetzt werden soll, sondern ob die Transformation vorangetrieben oder Wettbewerber verfolgt werden soll, die bereits begonnen haben.