Evolução do armazenamento corporativo: tecnologias NVMe e vantagens dos sistemas All-Flash

Os sistemas de armazenamento corporativo passaram por uma transformação radical na última década - de gabinetes volumosos com unidades mecânicas para matrizes totalmente flash compactas e ultrarrápidas.

As matrizes de armazenamento totalmente flash são sistemas de armazenamento construídos inteiramente em unidades de estado sólido (SSDs), sem uma única unidade mecânica (HDD). Essa arquitetura oferece desempenho e confiabilidade sem precedentes, mudando fundamentalmente os recursos da infraestrutura de TI.

Os sistemas tradicionais de armazenamento mecânico com HDD são, há muito tempo, o padrão no setor empresarial. Sua principal vantagem - baixos custos de armazenamento - foi gradualmente compensada pelas crescentes demandas de velocidade de processamento de dados. O tempo de acesso às informações, medido em milissegundos, tornou-se uma limitação crítica para os aplicativos modernos.

O advento do NVMe (Non-Volatile Memory Express) revolucionou o setor de armazenamento. Essa interface, projetada especificamente para unidades de estado sólido, eliminou os gargalos dos protocolos SATA e SAS tradicionais. O NVMe é compatível com o processamento paralelo de até 64 mil comandos em 64 mil filas, o que está muito além dos recursos das tecnologias anteriores e corresponde aos recursos dos processadores modernos com vários núcleos.

Os principais fornecedores de storage integraram o NVMe em suas soluções de várias maneiras:

• A NetApp está desenvolvendo a plataforma ONTAP com suporte a NVMe sobre Fibre Channel;
• A Dell EMC criou a linha PowerStore com NVMe sobre TCP;
• A Pure Storage introduziu a tecnologia DirectFlash para acesso direto ao storage flash;
• A HPE otimizou os sistemas Primera e Nimble para o armazenamento NVMe.

A tendência de afastamento das redes de armazenamento especializadas em direção aos protocolos IP padrão está se tornando cada vez mais evidente. O NVMe sobre TCP permite que os comandos do NVMe sejam enviados por uma rede TCP/IP padrão, proporcionando um desempenho comparável ao do Fibre Channel, mas com um custo total de propriedade muito menor e sem a necessidade de uma infraestrutura separada.

Outro fator importante na evolução foi o surgimento de SSDs QLC capacitivos que oferecem uma relação preço/volume atraente. Essas unidades tornam as soluções totalmente flash economicamente viáveis, mesmo para aplicativos que tradicionalmente dependiam de unidades SAS mecânicas de 10K RPM. Como resultado, os sistemas de armazenamento modernos podem eliminar completamente os HDDs, eliminando os complexos mecanismos de armazenamento em cache ou de digitação de dados comuns aos sistemas híbridos.

Nesse contexto de desenvolvimento tecnológico, os sistemas All-Flash atuais representam uma nova geração de sistemas de armazenamento otimizados para uma ampla gama de aplicativos corporativos, desde sistemas exigentes de banco de dados e virtualização até aplicativos de inteligência artificial e aprendizado de máquina (IA/ML) com uso intensivo de dados.

Tecnologias e aplicativos de armazenamento

Os sistemas de armazenamento de classe empresarial atuais usam diferentes tipos de unidades de estado sólido, cada uma com características diferentes e otimizada para aplicativos específicos. A linha ITPOD Storage Full Flash utiliza as tecnologias TLC e QLC, sendo que a escolha entre as duas é determinada pelos requisitos do aplicativo e pela carga de trabalho.

Análise comparativa entre TLC e QLC

As unidades SSD são baseadas em células de memória flash capazes de armazenar um determinado número de bits de informações. É o número de bits em uma célula que define a diferença entre os tipos de SSD:

As unidades TLC (Triple Level Cell) armazenam 3 bits de informação em cada célula de memória. Isso estabelece um equilíbrio entre desempenho, vida útil de gravação e custo. As unidades TLC oferecem altas velocidades para operações de E/S sequenciais e aleatórias e, ao mesmo tempo, mantêm uma vida útil de regravação significativa, normalmente de 1.000 a 3.000 ciclos por célula.

Um recurso físico da TLC é sua capacidade de discriminar de forma confiável entre 8 níveis de carga possíveis em uma célula (2³ = 8 combinações), o que exige um circuito de controle bastante preciso, mas mantém boas velocidades de acesso. A TLC oferece desempenho estável mesmo sob as intensas cargas mistas típicas dos sistemas transacionais.

As unidades QLC (Quad Level Cell) armazenam 4 bits em cada célula, o que permite maior densidade de armazenamento e menor custo por gigabyte. Fisicamente, uma célula QLC deve distinguir entre 16 estados de carga (2⁴ = 16 combinações), o que complica os componentes eletrônicos e reduz a velocidade das operações, especialmente as gravações.

As unidades QLC têm uma vida útil de regravação menor, normalmente de 300 a 1000 ciclos por célula. No entanto, eles oferecem uma capacidade impressionante - os SSDs QLC atuais podem atingir até 61,4 TB em um formato padrão, o que os torna um substituto ideal para os HDDs tradicionais.

As principais diferenças entre as tecnologias podem ser resumidas a seguir:

Cenários de uso ideais para diferentes tipos de SSDs

A escolha do tipo de unidade está diretamente relacionada aos requisitos de carga de trabalho e de armazenamento de aplicativos.

As SSDs NVMe TLC são ideais para:

• Bancos de dados transacionais (Oracle, Microsoft SQL Server, PostgreSQL) em que a baixa latência e o alto desempenho de E/S aleatória são essenciais. O tempo de resposta estável das unidades TLC garante um desempenho previsível mesmo durante as horas de pico de carga.
• Aplicativos comerciais essenciais (SAP, 1C, Oracle EBS) que exigem acesso a dados de baixa latência e alta confiabilidade de armazenamento. A vida útil mais longa da reescrita TLC oferece uma margem adicional de segurança.
• Sistemas de virtualização com máquinas virtuais de alta densidade que geram E/S aleatória intensa. As unidades TLC oferecem excelente desempenho em ambientes multiusuário com cargas de trabalho heterogêneas.
• Sistemas OLTP (OnLine Transaction Processing) altamente carregados, dominados por operações de gravação. O alto desempenho de gravação do TLC é essencial para esses sistemas.

As SSDs QLC NVMe têm melhor desempenho quando usadas nos seguintes cenários:

• Armazenamento de dados analíticos (Data Warehouse, OLAP) com preponderância de operações de leitura. O QLC oferece altas velocidades de leitura sequencial com o menor custo de armazenamento.
• Sistemas de armazenamento de backup e arquivamento em que os dados são gravados com pouca frequência, mas exigem recuperação rápida. O recurso limitado de reescrita do QLC não é uma limitação crítica nesse caso.
• Sistemas de vigilância por vídeo e conteúdo de streaming caracterizados por gravações sequenciais intensas e leituras ocasionais. O QLC fornece a capacidade necessária a um custo moderado.
• Plataformas de Big Data (Hadoop, Spark), em que o parâmetro principal é a relação custo/TB, mantendo o desempenho que excede em muito os recursos do HDD.

QLC como um substituto moderno para o HDD SAS

Um dos casos de uso mais promissores das SSDs QLC é a substituição direta de unidades mecânicas em sistemas de armazenamento. A comparação das unidades QLC capacitivas com as modernas HDDs SAS mostra as vantagens impressionantes das soluções de estado sólido:

• Desempenho: as SSDs QLC oferecem até 100.000 IOPS em acesso aleatório, enquanto os HDDs SAS estão limitados a cerca de 200-300 IOPS. Uma diferença de 300 a 500 vezes altera radicalmente os recursos do sistema de armazenamento.
• Latência: Os tempos de acesso aos dados nas SSDs QLC são de 20 a 100 microssegundos, enquanto os HDDs exigem de 5 a 10 milissegundos - uma diferença de duas ordens de magnitude.
• Densidade de armazenamento: uma moderna SSD QLC de 30,7 TB substitui até 20 discos mecânicos de 1,8 TB, ocupando 10 vezes menos espaço físico.
• Consumo de energia: a substituição de um gabinete de HDD por vários racks de SSDs QLC pode reduzir o consumo de energia e a dissipação de calor em 85% a 90%.
• Confiabilidade: a ausência de componentes mecânicos nas SSDs aumenta significativamente sua resistência a impactos físicos e aumenta o MTBF (tempo médio entre falhas) em 2 a 3 vezes em comparação com os HDDs.

Esses benefícios tornam as SSDs QLC uma substituição econômica para unidades mecânicas, mesmo em sistemas que tradicionalmente usam HDDs devido ao baixo custo do armazenamento. Quando todos os fatores são levados em conta, inclusive a redução dos custos de energia, resfriamento e colocação, o custo total de propriedade dos sistemas QLC capacitivos é comparável ou até mesmo inferior ao das soluções baseadas em HDD.

Eficiência do All-Flash e perspectivas futuras

Análise do custo total de propriedade (TCO)

A abordagem tradicional de cálculo de custos de armazenamento, que se concentra apenas no preço por terabyte, não reflete o quadro completo dos custos do ciclo de vida. Uma análise abrangente do TCO inclui vários componentes:

Despesas de capital (CAPEX):

• Custos do sistema de armazenamento e da unidade;
• Custos de infraestrutura de rede;
• Custos de colocação de equipamentos (racks, cabeamento, etc.).

Custos operacionais (OPEX):

• Consumo de energia do armazenamento e dos sistemas relacionados;
• Resfriamento e ar condicionado;
• Manutenção e suporte;
• Administração e gerenciamento;
• Custos de monitoramento e segurança.

Custos ocultos:

• Impacto do desempenho do armazenamento na eficiência dos processos de negócios;
• Custo do tempo de inatividade e da degradação do desempenho;
• Situações fora do padrão (recuperação de desastres, migração de dados);
• Compensações na arquitetura de aplicativos devido a limitações de armazenamento.

Ao comparar o armazenamento tradicional baseado em HDD com o armazenamento totalmente flash, são observados os seguintes efeitos econômicos:

Investimento inicial reduzido: embora o custo do armazenamento totalmente flash em termos de capacidade bruta possa ser mais alto, a economia real parece bem diferente quando a capacidade efetiva é levada em consideração. As tecnologias de eficiência de armazenamento (deduplicação, compactação, thin provisioning) podem atingir taxas de redução de dados de até 3:1, triplicando efetivamente a capacidade utilizável do sistema. Como resultado, o custo por terabyte efetivo nos sistemas all-flash atuais costuma ser menor do que o dos arrays de HDD tradicionais.

Redução dos custos de colocation: implementações práticas mostram que a substituição de um gabinete de HDD padrão (42U) pode ser realizada com apenas 6U de espaço ao usar all-flash com unidades QLC capacitivas. Isso reduz os custos de aluguel de rack em data centers comerciais e aumenta a eficiência da utilização do espaço interno.

Consumo de energia radicalmente reduzido: a eficiência energética dos sistemas totalmente flash é de 8 a 10 vezes melhor do que as soluções de HDD. Para grandes instalações, isso pode significar uma economia de dezenas e centenas de milhares de quilowatts-hora por ano. Economias ainda mais significativas são obtidas nos sistemas de resfriamento, que tradicionalmente consomem energia comparável à do próprio equipamento.

Tendências da tecnologia de armazenamento

As tecnologias de armazenamento continuam evoluindo rapidamente, e várias tendências moldarão a evolução dos sistemas ITPOD Storage Full Flash Class nos próximos anos:

Avanços na tecnologia de memória flash:

• O surgimento de unidades PLC (Penta-Level Cell) com 5 bits por célula, o que aumentará ainda mais a capacidade e reduzirá os custos de armazenamento;
• Novos métodos de espacialização de células (3D NAND);
• Aumento da densidade de gravação devido às novas tecnologias de processo.

Evolução dos protocolos de acesso:

• Maior evolução do NVMe/TCP com a capacidade de fornecer menor latência;
• Novas versões do protocolo NVMe com suporte a recursos adicionais para ambientes corporativos;
• Otimização para casos de uso específicos (IA/ML, blockchain, bancos de dados).

Integração com recursos de computação:

• Desenvolvimento da tecnologia App-on-Controller - capacidade de executar aplicativos isolados diretamente nos controladores de armazenamento;
• Armazenamento computacional - processamento de dados diretamente na mídia de armazenamento sem transmissão de rede;
• Arquiteturas especializadas para computação de borda.

Automação e inteligência artificial (IA):

• Sistemas de armazenamento auto-otimizados com algoritmos de aprendizado de máquina;
• Análise preditiva para previsão de falhas e otimização proativa;
• Alocação automatizada de recursos com base em prioridades comerciais.

A ITPOD monitora ativamente essas tendências e integra tecnologias promissoras em seus produtos. A arquitetura modular do ITPOD Storage Full Flash permite atualizações incrementais do sistema sem a substituição completa do hardware, o que protege os investimentos dos clientes e os mantém na vanguarda dos avanços tecnológicos.

Conclusão

A mudança dos sistemas tradicionais de HDD para o armazenamento totalmente flash representa uma transformação na abordagem de armazenamento e processamento de dados. Com desempenho significativamente maior, menor consumo de energia e densidade de armazenamento aprimorada, as soluções All-Flash estão se tornando economicamente viáveis para uma variedade cada vez maior de aplicativos.

A escolha do tipo certo de armazenamento e da configuração do sistema atinge o equilíbrio certo entre desempenho, confiabilidade e custo total de propriedade - um fator essencial para modernizar a infraestrutura de TI daempresa moderna.