Энергосберегающая технология MAID для ЦОД

--> Дата: Апр 2, 2009 95

Увеличение энергоэффективности корпоративных решений хранения для центров обработки данных (ЦОД) не зря называют одной из первостепенных проблем. По оценке агентства по защите окружающей среды EPA, к 2011 г. потребление американских дата-центров превысит 100 млрд кВт.ч и будет обходиться примерно в 4,5 млрд долл. Для сравнения: в 2006 г. требуемая мощность составила всего 61 кВт.ч. Кроме того, по оценкам EPA, в среднем в ЦОД на единицу площади расходуется примерно в 15–20 раз энергии больше, чем в обычных офисных помещениях.

В 2002 г. в Университете штата Колорадо двое ученых выдвинули предложение, суть которого состояла в том, что в условиях стремительного удешевления жестких дисков можно строить огромные дисковые массивы. Но для того чтобы не крутить шпиндели дисков вхолостую, часть неиспользуемых в данный момент приводов можно периодически останавливать. Подобное устройство предложили назвать «массивом с простаивающими дисками» MAID (Massive Array of Idle Disks). Как известно, барьеры для создания громадных дисковых массивов — это не только высокое потребление энергии, но и невозможность «упаковать» в ограниченный объем достаточно большое число шпинделей, поскольку от них требуется отводить тепло. Устройства категории MAID призваны были решить эту задачу. Первоначально их нацеливали на архивное применение, где с успехом можно было бы использовать режим WORO (Write Once, Read Occasionally — записано единожды, читается время от времени). В результате удалось получить недорогую платформу хранения высокой плотности. Поскольку такие массивы задумывались как дополнение к ленточным библиотекам в многоуровневых системах накопления информации, а потому они изначально не рассчитаны на транзакционные операции с данными. Одной из перспективных областей применения MAID-массивов стало архивирование контента, поскольку с выпуском дешевых SATA-дисков появилась реальная возможность создания больших оперативных архивов.

Первой компаний, которая решила вывести на рынок необычное решение, стала Copan Systems. В архитектуре MAID, предложенной этой компанией, обмен данными происходит напрямую с архивными дисками, которые благодаря специальному управлению могут включаться и выключаться. В заданный момент времени должно было вращаться ровно столько дисков, сколько требуется для обеспечения нужной интенсивности обмена. В случае такого MAID потреблялось минимум в два раза меньше энергии, чем при использовании традиционных массивов. В марте 2004 г. компания вывела на рынок свой первый продукт – Revolution 200T, емкость которого составляла 28 Тбайт. В настоящее время в линейке продуктов Copan Systems есть система Revolution 300M, которая поддерживает объем хранения от 28 до 896 Тбайт. Сегодня у компании 160 корпоративных заказчиков, включая Comcast, Facebook, Нью-йоркскую биржу и даже правительство США. Во втором квартале этого года Copan планирует выпуск новых продуктов, включая приложение для архивирования неактивных данных и экономичную энергоэффективную платформу хранения.

Стоит, однако, отметить, что первые версии продуктов MAID (их называют обычно MAID 1.0) имели и недостатки. Так, дисководам, вращение которых остановлено, требовалось время (обычно несколько минут) для того, чтобы снова разогнаться до нужной скорости, а это неприемлемо долго и приводило к слишком большим потерям в производительности для многих приложений. Кроме того, большинство поставщиков решений MAID 1.0 в каждый момент времени поддерживали в активном состоянии только ограниченную часть дисков.

По оценке ведущей исследовательской организации StorageIO Group, первой компанией, выпустившей продукты на основе спецификации MAID 2.0, стала Nexsan Technologies. Под названием AutoMAID (Automatic Massive Array of Idle Disks) эта технология сегодня используется в таких продуктах компании, как SATABeast, SATABoy, SASBeast, SASBoy и Assureon. Nexsan Technologies также называют одним из лидеров в поставке энергосберегающих решений хранения данных, поддерживающих IPM (Intelligent Power Management). Например, обычное решение на основе Fiber Channel потребляет 187 кВт на 1 Пбайт, в то время как Nexsan SATABeast в режиме Level 3 AutoMAID – только 6 кВт.

Технология MAID 2.0, которая может снизить общее энергопотребление более чем наполовину, обладает более широкими возможностями за счет увеличения числа возможных режимов экономии: Level 1, Level 2 и Level 3. Так, уровень Level 1 означает самое быстрое время ответа, поскольку система может перейти в рабочее состояние за доли секунды, но тем не менее экономия электроэнергии довольно существенна – до 20%. Level 2 устанавливают обычно, если система находится в неактивном состоянии около получаса. В этом случае скорость магнитных дисков накопителей снижается вдвое, поэтому первый запрос на чтение/запись может быть выполнен только в течение 15 с. На этом уровне обеспечивается экономия электроэнергии не менее 40%. А вот если система неактивна более часа, то рекомендуется воспользоваться Level 3, который позволяет сократить энергопотребление до 60%. При этом первый запрос на чтение/запись выполняется в течение 30 с. Режим Level 0 – это обычный режим работы MAID 1.0, без специальных мер энергосбережения (т. е. накопители либо включены, либо выключены).

На рис. 1 приведена стоимость ежегодного энергопотребления дисковых хранилищ (1,3 Пбайт без компрессии и дедупликации). Системы EMC CLARiiON CX3-80 и NetApp R200 не поддерживают энергосберегающие режимы. В HDS AMS1000 реализована технология MAID 1.0, в то время как отличные показатели Nexsan SATABeast обусловлены уже технологией MAID 2.0 (AutoMAID). Из рис. 2, где сравнивается производительность этих дисковых систем, видно, что улучшенное энергосбережение не оказывает большого влияния на скорость работы. Из данных рис. 3 можно оценить стоимость энергопотребления Nexsan SATABeast в сравнении с дисковой системой Copan Revolution 300 и ленточными системами, предназначенными для архивирования, а на рис. 4 приведено сравнение этих систем по производительности. Безусловно, ленточные системы хранения выигрывают с точки зрения энергопотребления, однако им трудно сравниться с дисковыми системами по производительности. Что же касается Copan Revolution 300, то, поскольку эта система поддерживает только MAID 1.0, уже при включении уровня Level 2 энергопотребление SATABeast становится равным, а при переходе на Level3 даже меньше, чем у ближайшего конкурента. По производительности же система от Nexsan выигрывает у Revolution 300 в несколько раз.

В январе этого года компания Nexsan Technologies анонсировала SASBeast – корпоративную систему хранения со специальными функциями энергосбережения, поддерживающую технологию AutoMAID (MAID 2.0). В шкафу высотой 4U размещается 42 3,5-дюйм SAS-диска общей емкостью 18,9 Тбайт. Основная особенность системы состоит в том, что на одном шасси можно одновременно установить не только SAS-, но и недорогие SATA-диски; в последнем случае максимальная емкость системы составит 42 Тбайт. Дело в том, что в системе поддерживаются диски SAS емкостью 300 и 400 Гбайт (скорость вращения шпинделя 15 тыс. об./мин.), а SATA – 500, 750 Гбайт и 1 Тбайт (скорость вращения шпинделя 7,2 тыс. об./мин). Стоит отметить, что RAID-массивы допустимо формировать из дисков только одной группы (либо SAS, либо SATA). Утверждается, что система одновременно поддерживает Fibre Channel и iSCSI. Кроме того, массив SASBeast может размещаться в шасси DataBeast.