Часи класичних RAID-контролерів добігають кінця

Прихід швидкісних NVMe-накопичувачів докорінно змінив архітектуру систем зберігання даних, виявивши головне «вузьке місце» — традиційні RAID-контролери на шині PCIe. На тлі консерватизму ринку, який все ще тримається за універсальні, але сумнівні за ефективністю, трирежимні контролери, інноваційні гравці пропонують нові парадигми.

Graid Technology, творець програмного SupremeRAID з прискоренням на графічних процесорах (GPU), погодила з Intel ліцензування Intel Virtual Raid on CPU (VROC). VROC активується ключем і дозволяє процесору виконувати функції RAID-контролера, усуваючи потребу в окремій апаратній карті для управління NVMe-масивами.

Intel поступово йде з напрямків, не пов'язаних безпосередньо з розробкою процесорів. Кілька років тому компанія вже планувала згорнути підтримку VROC, але опір ринку змусив її відступити. Тепер, схоже, знайшлося елегантніше рішення - передати розповсюдження та технічний супровід ключів Graid Technology, зберігаючи генерацію RAID на процесорах Intel Xeon за собою. Отже, VROC залишається на ринку, змінюється його постачальник.

Graid Technology активно інвестує у розвиток програмних NVMe-RAID-технологій. Поєднуючи архітектури RAID на основі CPU та GPU, компанія формує портфель рішень для інфраструктури даних наступного покоління – із мінімальною затримкою, максимальною пропускною здатністю та високою відмовостійкістю. SupremeRAID відповідає за продуктивність основних NVMe-масивів. VROC забезпечує завантаження з захищених томів, відокремлюючи площину ОС від площини даних. 

Консерватизм ринку

Класичні RAID-контролери на спеціалізованих інтегральних схемах (ASIC) десятиліттями успішно обслуговували масиви механічних дисків SAS та SATA. Втім, із приходом SAS/SATA SSD, а особливо NVMe, ситуація змінилася: мільйони IOPS та гігабайти пропускної здатності на один накопичувач виявили головне вузьке місце — підключення контролерів до шини PCIe.

Серверний ринок пов'язаний обмеженнями, зокрема, сумісності з ОС та системами віртуалізації. Основний гравець, Broadcom, продовжує просувати свої Tri-mode контролери з підтримкою NVMe / SAS / SATA. Практична користь від такого «універсального рішення» сумнівна: уже чотири NVMe-накопичувачі x4 здатні вичерпати всю пропускну смугу PCIe-ліній контролера.

Проблему масштабування частково маскують PCIe-комутатори, що встановлюються між RAID-контролером і бекплейном у дорогих платформах спеціального дизайну. Та це радше тимчасовий обхід, ніж справжнє вирішення.

Трирежимні контролери коштують дорого. Комбінація NVMe, SAS і SATA на одному контролері виглядає анахронізмом: твердотільні NVMe-диски значно продуктивніші за будь-які SAS чи SATA, знайти спільні задачі для них у межах одного сервера складно.

Попри це, Broadcom зберігає сильні позиції — не в останню чергу завдяки тісній інтеграції своїх контролерів із VMware. Рука руку миє.

Роздоріжжя NVMe

Протокол NVMe створювали для прямого підключення флеш-носіїв до процесора через шину PCI Express — без посередників, які додають затримки й обмежують пропускну здатність. Будь-який апаратний контролер, що пропускає через себе дані до накопичувачів, стає перешкодою на шляху потоків вводу-виводу.

Ідея прибрати RAID-контролер із прямого шляху до NVMe SSD, щоб підвищити продуктивність, не нова. Сучасні операційні системи вже давно вміють працювати з NVMe-масивами програмно: у Linux це mdadm, у Windows — Storage Spaces. У файлових системах на зразок ZFS відмова від апаратного RAID-контролера завжди була усталеною практикою, а в гіперконвергентних кластерах роль захисту даних виконують програмно-визначені рішення — такі як VMware vSAN ESA чи Windows Storage Spaces Direct.

Graid Technology зробила ще один крок уперед. Її технологія SupremeRAID переносить усі обчислення, пов’язані з RAID-операціями, на графічний процесор (GPU). Центральний процесор залишається вільним для робочих навантажень, тоді як трафік даних оминає GPU, не створюючи додаткових «вузьких місць». Цей підхід спрощує масштабування: щоб збільшити обсяг сховища, достатньо додати потрібну кількість NVMe SSD — без обмежень з боку RAID-контролера.

Програмний RAID-двигун xiRAID від xinnor, за словами розробників, забезпечує виняткову продуктивність для NVMe та NVMe-oF у вимогливих конфігураціях RAID5 з низьким навантаженням на процесор хоста та оперативну пам'ять. Сучасні багатоядерні CPU мають величезний обчислювальний потенціал, справа лише у належному програмному стеку.

Microchip Technology, багаторічний конкурент Broadcom, нещодавно представила контролер Adaptec SmartRAID 4300 — своє перше NVMe RAID-рішення без фізичних роз’ємів для підключення накопичувачів. Новий підхід ілюструє зміну парадигми: апаратні контролери поступово перетворюються на програмно орієнтовані системи керування потоками даних.

Перше для компанії програмно-визначене RAID-рішення побудоване на чіткому розподілі ролей: центральний процесор сервера спрямовує потік даних безпосередньо до NVMe-накопичувачів, підключених через шину PCIe, тоді як Adaptec SmartRAID 4300 бере на себе обчислення паритетних даних XOR і розподіляє їх між дисками.

У такому “розщепленому” стеку зберігання даних апаратний контролер знімає з CPU навантаження, пов’язане з RAID-обчисленнями, забезпечуючи вищу продуктивність і швидшу роботу масивів.

Дайте дорогу даним

Хто б не виконував обчислення XOR  — центральний процесор, графічний прискорювач чи окремий спеціалізований модуль, це виглядає як шлях розвитку RAID-контролерів у майбутньому. Головна перевага такого підходу не лише у зростанні продуктивності, а й у масштабованості: сучасні процесори дозволяють одному контролеру охоплювати десятки NVMe-накопичувачів, кожен із яких має власне з’єднання PCIe x4 із системою.