MIT araştırmacıları; veri merkezlerinin en pahalı bileşenlerinden biri için gereken enerjinin ve fiziksel alanın yarısını kesebilecek, yeni bir flash depolama sistemi tasarladı: Veri Depolama.
Veri merkezleri; kullanıcılar ve web servisleri arasında iletişimi kolaylaştıran sunucu çiftlikleridir ve dünyadaki en enerji tüketen tesislerden bazılarıdır. Güç açıcı binlerce sunucu; kullanıcı verilerini depolar ve ayrı sunucular bu verilere erişen uygulama hizmetlerini çalıştırır. Diğer sunucular bazen bu iki sunucu kümesi arasındaki hesaplamayı da kolaylaştırır.
Günümüzde çoğu depolama sunucusu; yüksek hızlı veri taleplerini, yüksek hızlarda çalıştırmak için flash-depolama- elektronik olarak programlanabilir ve silinebilen hafızalı mikroçipler kullanan flash-state’le çalışan katı hal sürücüleri (Solid State Disk-SSD’ler) kullanır. ACM Uluslararası Programlama Dilleri ve İşletim Sistemleri için Mimari Destek Konferansı’nda sunulan bir bildiride, araştırmacılar; SSD’leri doğrudan bir veri merkezi ağına bağlanmak üzere, başka bir bileşene ihtiyaç duymadan ve hesaplamayı desteklemek için değiştiren LightStore adlı yeni bir sistem tarif ediyor. Bu sistem daha basit ve daha verimli veri depolama işlemleri sunuyor. Diğer yazılım ve donanım yenilikleri ise, sistemi; mevcut veri merkezi altyapısına sorunsuz bir şekilde entegre ediyor.
Deneylerde, araştırmacılar; veri düğümleri alanı için gereken güç tüketimi ile ölçülen, geleneksel depolama sunucuları kadar iki kat daha fazla çalışan, Depolama Düğümü adı verilen dört adet LightStore Ünitesi Kümesi’ni buldular. Küme ayrıca; mevcut sunucular tarafından kullanılan fiziksel alanın yarısından daha azını gerektiriyor.
Araştırmacılar; sistemin tam enerji tasarrufunu daha iyi yakalamanın bir yolu olarak, bireysel veri depolama işlemleriyle enerji tasarrufunu azalttı. Örneğin, flash bellekteki en hesaplamalı yoğun işlem olan “rasgele yazma” verilerinde, LightStore; geleneksel sunuculardan neredeyse sekiz kat daha verimli çalıştı.
Araştırmacıların umudu, bir gün; LightStore düğümlerinin, güç merkezlerinde bulunan veri merkezlerindeki sunucuların yerini alabilmesidir.
Bilgisayar Bilimleri Mühendisliği Bölümü Profesör Arvind: “Bu mimariyi daha basit, daha ucuz bir depolama çözümüyle değiştiriyoruz. Bu, yarı yarıya daha fazla yer kaplayacak ve gücün yarısını alacak ancak aynı kapasiteyi sağlayacak performanstır. Bu, operasyonel harcamalarda daha az güç gerektirdiği için sermaye harcamalarında yardımcı olacaktır. Çünkü veri merkezlerinde enerji tasarrufu doğrudan para tasarrufu anlamına gelir.”
Flash’a “Değer” Ekleme
Bugünün veri merkezleriyle ilgili büyük bir verimlilik sorunu; mimarinin flash depolamaya uyum sağlamak için değişmemiş olmasıdır. Yıllar önce; veri depolama sunucuları, nispeten yavaş sabit disklerden, birçok Dinamik Rasgele Erişimli Bellek Devreleri’nden (DRAM) ve uygulama sunucularından gelen tüm verilerin hızla işlenmesine yardımcı olan Merkezi İşlem Birimleri’nden (CPU) oluşuyordu. Ancak bugün, sabit diskler; çoğunlukla daha hızlı flash sürücülerle değiştirildi.
Chung: “İnsanlar, daha önce herhangi bir şeyi değiştirmeden, sabit disklerin olduğu yerlere flash taktılar. Flash sürücüleri yalnızca doğrudan bir ağa bağlayabilirseniz, bu pahalı depolama sunucularına hiç ihtiyacınız olmayacak.”
LightStore için araştırmacılar; önce SSD’leri “anahtar / değer çiftleri” olarak erişecek şekilde değiştirdiler. Bu yöntem veri almak için çok basit ve verimli bir protokoldür. Temel olarak, kullanıcı istekleri bir sayı dizisi gibi anahtarlar olarak belirir. Anahtarlar bir sunucuya gönderilir ve bu anahtarla ilişkili verileri (değeri) serbest bırakır.
Konsept basittir, ancak anahtarlar oldukça büyük olabilir. Bu yüzden bunları yalnızca SSD’de hesaplama (arama ve ekleme); geleneksel “flash çeviri katmanı” tarafından kullanılan, çok fazla hesaplama gücü gerektirir. Bu oldukça karmaşık yazılım; ayrı bir yazılım üzerinde çalışır. Verileri yönetmek ve verilerde dolaşmak için bir flash sürücüdeki modüldür. Araştırmacılar, bu flash yönetim yazılımını sadece bilgisayar gücünün bir kısmını kullanarak, çalıştırmak için bazı veri yapılandırma teknikleri kullandılar. Bunu yaparken; yazılımı tamamen flash sürücüdeki çok daha verimli çalışan minik bir devreye yüklediler.
Boşaltma (offloading), özel LightStore yazılımını çalıştırmak için önceden hesaplamayı basitleştirmek ve daha hızlı bir şekilde yürütmek üzere tasarlanmış sürücüde, ayrı CPU’ları serbest bırakır. Bu yazılım; anahtar / değer çift isteklerini verimli bir şekilde işlemek için veri yapılandırma tekniklerini kullanır.
Temel olarak, mimariyi değiştirmeden, araştırmacılar; geleneksel bir flash sürücüyü anahtar-değer sürücüye dönüştürdüler.
Arvind: “Öyleyse, flash için bu yeni özelliği ekliyoruz gibi aslında gerçekten hiçbir şey eklemiyoruz.”
Uyarlama ve Ölçeklendirme
Buradaki zorluk; uygulama sunucularının LightStore düğümlerindeki verilere erişebilmesini sağlamaktı. Veri merkezlerinde, uygulamalar verilere; dosya sistemleri, veritabanları ve diğer biçimler gibi çeşitli yapısal protokoller yoluyla erişir. Geleneksel depolama sunucuları; uygulama sunucularına tüm bu protokoller üzerinden erişim sağlayan sofistike bir yazılım kullanır. Ancak bu, iyi miktarda hesaplama enerjisi kullanır ve sınırlı hesaplama kaynaklarına dayanan LightStore’da çalışmaya uygun değildir.
Araştırmacılar; tüm kullanıcı isteklerini uygulama hizmetlerinden anahtar / değer çiftlerine çeviren “bağdaştırıcı” olarak adlandırılan, oldukça hesaplamalı bir yazılım tasarladı. Bağdaştırıcılar; istenen veri hakkındaki bilgileri (belirli protokollerden gelen komutlar ve uygulama sunucusunun kimlik numaraları gibi) bir anahtara dönüştürmek için matematiksel işlevleri kullanır. Daha sonra bu anahtarı; eşleştirilmiş verileri bulup, serbest bırakan uygun LightStore düğümüne gönderir. Bu yazılım; hesaplamalı olarak daha basit olduğu için doğrudan uygulama sunucularına kurulabilir.
Son bir yenilik de; LightStore düğümlerinin bir kümeye eklenmesinin, veri akışı/ verilerin işlenebilme hızı ile doğrusal olarak ölçeklendirilmesidir. Geleneksel olarak, insanlar; daha yüksek verim elde etmek için SSD’leri veri merkezlerinde toplarlar. Ancak, veri depolama kapasitesi artarken; yalnızca birkaç ek sürücüden sonra veri platosu oluturur. Deneylerde, araştırmacılar; dört LightStore düğümünün aynı SSD miktarıyla verim seviyelerini geçtiğini buldular.
Irvine Kaliforniya Üniversitesi Bilgisayar Bilimi Profesörü Sang-Woo Jun: “Flash yönetimi için gereken hesaplamanın gelişmiş LightStore donanımına boşaltılması; maliyetlerin ve güç tüketiminin düşürülmesine ve veri depolama performansının iyileştirilmesine yardımcı olabilir. Bu tür donanım hızlandırmalı depolama sistemlerinin geleneksel sorunu; yazılım tabanlı sistemlerin sahip olduğu daha sofistike yönetim mantığını pek desteklememeleriydi. Bu da LightStore için geçerli değildi. LightStore benzeri hızlandırılmış flash yönetiminin yakın gelecekte norm haline geleceğini düşünüyorum ve bu insanların karşılaştırması gereken kanonik (kabul görmüş) tasarımlardan biri olabilir.”
