EDSFF, chuẩn ổ lưu trữ mới: 1PB dung lượng lưu trữ chỉ với chassis 1U

Một petabyte không còn quá xa vời như trước đây, nhờ một chuẩn ổ SSD hoàn toàn mới này. Và đó là tin tốt cho các doanh nghiệp và trung tâm dữ liệu.

Trở lại năm 2012, một petabyte dung lượng lưu trữ chiếm một tủ máy chủ có kích thước đầy đủ cao hơn 6 feet (1.8 mét). Nó được bán với giá 500.000 USD. Ổ cứng 360 Serial Attached SCSI mà bạn phải nhét vào tủ rack đó cần 7 kilowatt điện và chúng chỉ có khả năng đọc dữ liệu với tốc độ hơn 500Mbs. (Ngày nay, bạn nhận được hiệu năng tốt hơn, mặc dù không phải về dung lượng, từ ổ SSD ngay trong máy laptop của mình.)

Chúng ta đã đi qua một chặng đường rất dài kể từ ngày đó. Lấy hệ thống SuperStorage 1029P của Supermicro làm ví dụ. Chúng hỗ trợ tối đa 32 ổ đĩa dựa trên flash, bao gồm bộ nguồn redundant đôi 1,6 kW, về mặt lý thuyết có thể di chuyển dữ liệu với tốc độ 64 GB/giây và chiếm ít nhất một rack unit (1U). Sau khi Intel bắt đầu tung ra các ổ SSD 32TB dựa trên công nghệ 3D NAND của mình, các máy chủ Supermicro đó sẽ cô đặc dung lượng 1PB vào một kích thước chỉ 1U.

Chìa khóa chính là ở chuẩn EDSFF (Enterprise & Datacenter SSD Form Factor). Thông số kỹ thuật rack thu gọn cung cấp nền tảng như một viên gạch xây dựng nên các trung tâm dữ liệu hiện đại và nó có một lộ trình đầy hứa hẹn. Trong bài này, bạn sẽ tìm hiểu về:

Tại sao EDSFF lại cần thiết và chuẩn 2,5″ có nhược điểm gì?
EDSFF đang được triển khai như thế nào hiện nay, bao gồm các form factor E1.L và E1.S?
Bạn có thể mong đợi chuẩn này sẽ ảnh hưởng ra sao đến hiệu suất nhiệt, mức tiêu thụ điện năng và khả năng bảo trì máy chủ của bạn?
EDSFF dự kiến sẽ phát triển như thế nào trong vài năm tới?

EDSFF là gì? Tại sao bạn cần quan tâm?

Thu nhỏ phần cứng lưu trữ chiếm 1.8m không gian rack và làm cho nó nhanh hơn rất nhiều lần không phải là một thành tựu nhỏ. Nó bắt đầu với sự rời bỏ ổ đĩa quay cơ học. Các ổ đĩa thể rắn (SSD) mới nhất sử dụng quy trình sản xuất tiên tiến để giảm giá thành trên mỗi gigabyte, gia tăng đáng kể cho cơ hội thay thế ổ cứng HDD bằng SSD. Nhưng ngay cả khi đó, không nhiều chip lưu trữ flash mà bạn có thể lắp vào form factor 2,5 inch cũ. Hãy đến với EDSFF!

Nếu bạn đang kinh doanh trong lĩnh vực tạo ra và tiêu thụ nhiều dữ liệu, EDSFF giúp bạn có thể đưa nhiều thông tin hơn – một loại tiền tệ chính của bạn – vào ít không gian hơn bằng cách định nghĩa lại toàn bộ kích thước vật lý mà SSD chiếm giữ. Và bởi vì các ổ cứng dựa trên EDSFF sẽ trượt vào các connectors được kết nối đến các liên kết PCI Express có 4 lanes, những byte có giá trị đó sẽ di chuyển nhanh hơn trong các bức tường của trung tâm dữ liệu của bạn.

EDSFF được lấy cảm hứng từ thiết kế “thước kẻ” của Intel và sau đó được ủng hộ bởi 15 hãng khác nhau để tạo ra một tiêu chuẩn công nghiệp hứa hẹn mật độ lưu trữ cao hơn nhiều, hiệu quả cũng tốt hơn thông qua một số tối ưu hóa về mặt cơ học thú vị. Nó cũng có nhiều dung lượng hơn và phân chia lưu trữ thông qua kết nối băng thông cao, độ trễ thấp.

Tại sao chúng ta cần một form factor mới?

Các máy chủ lưu trữ ngày nay đều nhằm mục đích đóng gói nhiều dung lượng hơn vào các không gian nhỏ hơn. Mặc dù các ổ đĩa 2,5” và 3,5” phản ánh nhu cầu vật lý của ổ đĩa quay, nhưng các form factor đó không liên quan cụ thể đến bộ nhớ flash thể rắn. Chip NAND có thể tồn tại ở hầu hết mọi nơi. Và sự phổ biến ngày càng tăng của các ổ SSD dạng add-in card và M.2 được lắp đặt trên bo mạch chủ chứng tỏ những lợi ích của việc cắm flash trực tiếp vào bus PCI Express.

Hẳn nhiên, nhiều ổ SSD vẫn được tích hợp vào chiếc vỏ 2,5 inch để tương thích với các khay trượt hiện có. Trong phân khúc doanh nghiệp, rất nhiều trong số này sử dụng giao diện U.2 để kết nối bộ lưu trữ thể rắn vào các liên kết PCI Express 3.0 4-lane. U.2 tương thích với đầu kết nối SAS kế thừa và bổ sung hỗ trợ cho các ổ đĩa hot-swap từ phía trước máy chủ. Tuy nhiên, form factor mà nó được lắp vào không tối ưu cho các chip flash dày đặc.

Mặc dù Supermicro có bán máy chủ 1U với 32 khay ổ cứng có thể hot-swap cho SSD U.2, nhưng hãng đã phải thực hiện một số thao tác cầu kỳ để lắp chúng dọc theo mặt trước. Hai khay ổ lưu trữ chứa 16 ổ SSD mỗi khay. Chúng được xếp chồng lên nhau và sâu 4 lớp, trượt ra vuông góc với cạnh trước của máy chủ khi khay được lấy ra. Như bạn có thể tưởng tượng, việc làm mát các ổ SSD dày đặc như vậy không hề dễ dàng. Ngoài ra, dây cáp, khoang ổ cứng và bộ điều khiển LED bổ sung thêm các điểm hỏng hóc tiềm ẩn.

Cuối cùng, ngành công nghiệp buộc phải nới lỏng sự kìm kẹp của mình đối với các giao diện cũ kỹ và chuyển sang một thiết kế chuẩn mới phù hợp hơn với thực tế của lưu trữ hiện đại.

Làm thế nào để EDSFF cải thiện lưu trữ flash trong doanh nghiệp?

Trước khi EDSFF có thể trở thành tất cả đối với những người ra quyết định IT, nó cần phải đáp ứng các yêu cầu vật lý của hệ thống lưu trữ ngày càng đa dạng. Một số máy chủ được thiết kế cho các ứng dụng hướng theo dung lượng và dành nhiều không gian bên trong để tối đa hóa chỉ số terabyte trên mỗi đơn vị rack. Số khác ưu tiên sức mạnh xử lý, bộ nhớ hoặc không gian mở rộng cho các card tăng tốc bổ trợ. Do EDSFF được khái niệm hóa với lưu ý đến bộ nhớ flash linh hoạt, form factor được xác định theo hai độ dài riêng biệt có chung chức năng nhưng phù hợp với nhiều cấu hình khác nhau.

Cái đầu tiên, được gọi là E1.L (chữ L viết tắt của Long) có hình dạng và kích thước giống như thiết kế “thước đo” ban đầu của Intel. Điều đó đồng nghĩa với việc nó cung cấp dung lượng mà không có cấu hình ổ SSD nào khác có thể đạt được. Ví dụ: một ổ SSD Intel D5-P4326 được trang bị 15,36TB NAND 3D có tốc độ đọc tuần tự lên tới 3.200 MB/giây qua liên kết PCIe 3.0 4-lane. Được nhân lên trên 32 khay, tức là gần 500TB dung lượng lưu trữ hiệu suất cao từ máy chủ lưu trữ 1U. Một model 30,72TB trong tương lai được hứa hẹn sẽ có thể đạt đến 1PB trong chỉ một đơn vị rack.

Ổ đĩa E1.L cho phép dung lượng chưa từng có, trong khi E1.S cải thiện những gì hiện có thể có với M.2, bao gồm dung lượng cao hơn, hỗ trợ hot-plug và mật độ lớn hơn – Ảnh từ Supermicro.

E1.S – viết tắt là S – trông giống ổ SSD M.2 được sử dụng trong rất nhiều máy tính xách tay và máy tính để bàn ngày nay. Nó cao hơn một chút để có nhiều chỗ hơn cho bộ nhớ flash, cho phép nó cung cấp nhiều dung lượng hơn trên mỗi ổ. E1.S cũng có thể hot-plug, trong khi M.2 thì không. Theo bản tóm tắt công nghệ EDSFF của Intel, “E1.S cung cấp những gì tốt nhất của U.2 và M.2. E1.S là một nền móng SSD có khả năng mở rộng, linh hoạt, tiết kiệm năng lượng và tỏa nhiệt hiệu quả. Form factor này được thiết kế cho các hyperscale volume lớn và cho phép tính linh hoạt của hệ thống, tăng mật độ lưu trữ, mở rộng quy mô theo module, cải thiện khả năng bảo trì và làm mát hiệu quả hơn được tối ưu hóa cho các máy chủ 1U”. Tất nhiên, độ sâu ít hơn nghĩa là ổ đĩa E1.S không có nhiều chỗ cho chip NAND. Nhưng ngay cả ổ SSD 4TB cũng cho phép 128TB từ một máy chủ có kích thước chỉ 30 inch từ trước ra sau.

EDSFF là một bước tiến lớn về hiệu suất nhiệt

Ngay cả với những lợi thế về mật độ mà chúng được hưởng, cả hai phiên bản của thông số kỹ thuật EDSFF đều được tối ưu hóa cho hiệu suất nhiệt. Chúng được chế tạo xung quanh chip NAND, phù hợp với không gian nhỏ gọn nhất có thể để giảm thiểu diện tích PCB bị lãng phí. Trong một máy chủ có ổ đĩa quay hoặc thậm chí là ổ SSD U.2, không có nhiều khoảng trống giữa các ổ đĩa. Tệ hơn, tấm backplane mà chúng kết nối sẽ dựng đứng, tạo ra một bức tường ngăn cản không khí lưu thông.

Michael Scriber, giám đốc cấp cao về quản lý giải pháp máy chủ tại Supermicro, lưu ý rằng: “Nhiệt độ là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế dạng thước kẻ. Thách thức lớn nhất khi thiết kế một máy chủ với các ổ đĩa 2,5” là backplane mà chúng cắm vào. Nó cắt ngang mặt trước của máy chủ và chặn tất cả các luồng không khí. Vì vậy, bạn đục càng nhiều lỗ vào đó càng tốt để lấy lại không khí cho CPU, DIMM và card mạng.”

Vỏ nhôm xung quanh ổ SSD hình thước kẻ tiếp xúc với các bộ phận bên dưới, giúp tản nhiệt hiệu quả hơn – Ảnh từ Intel.

EDSFF giải quyết vấn đề này bằng một midplane nằm phẳng bên dưới. Các đầu nối có chiều rộng của mỗi ổ đĩa được gắn theo chiều dọc, nơi chúng hoàn toàn không cản trở luồng không khí. Không khí đi ngay giữa các ổ SSD và quay trở lại hệ thống. Lợi ích của việc tối ưu hóa này có thể là rất đáng kể.

Có một dữ liệu thú vị dựa trên các form factor được Scriber trải nghiệm trực tiếp: “Vì tôi có các phiên bản U.2 và EDSFF của cùng một máy chủ nên tôi có thể so sánh nhiệt độ của chúng. Cụ thể, máy chủ U.2 của tôi bị giới hạn ở bộ xử lý 140W. Máy chủ thước kẻ của tôi hỗ trợ CPU 165W. Tôi có thể xử lý lượng nhiệt tăng thêm vì luồng không khí tốt hơn rất nhiều.”

Kể cả thiết kế của ổ đĩa EDSFF đã được tối ưu hóa để tản nhiệt. Theo chuyên gia trên, mọi thành phần trên PCB của SSD đều sử dụng keo tản nhiệt để truyền năng lượng vào lớp vỏ nhôm, giúp nó trở thành một bộ tản nhiệt lớn.

Ảnh trên: Dữ liệu do Supermicro thu thập bằng cách sử dụng các phiên bản EDSFF và U.2 của hệ thống SuperStorage cho thấy EDSFF cần ít luồng không khí hơn để duy trì nhiệt độ hoạt động tương tự với SSD Intel.

Khi bạn bổ sung các cải tiến hiệu suất nhiệt của EDSFF, Supermicro đã xác định rằng luồng không khí được đo bằng CFM/ổ đĩa cần ít hơn 55% để duy trì cùng mức 37,5°C. Điều đó có nghĩa là quạt chassis có thể chạy chậm hơn, tạo ra ít tiếng ồn hơn và sử dụng ít điện năng hơn. Tổng chi phí sở hữu vận hành máy chủ giảm xuống, vì hệ thống con làm mát của nó không phải chiến đấu để đẩy không khí qua một bức tường backplane sừng sửng.

Tương lai của EDSFF

Ổ đĩa EDSFF ngày nay sử dụng đầu nối x4, mang lại thông lượng tối đa khoảng 4 GB/s so với PCI Express 3.0. Tốt hơn nữa, đầu nối được thiết kế để hỗ trợ cả PCI Express 4.0 và 5.0, tăng gấp đôi và sau đó tăng gấp bốn lần hiệu suất liên kết trong những năm tới.

Băng thông cũng có thể được nhân lên thông qua các liên kết rộng hơn. Đầu nối x4 (E1) rất lý tưởng cho các thiết bị lưu trữ tốc độ cao hiện nay. Tuy nhiên, EDSFF cũng hỗ trợ cấu hình liên kết x8 (E2) và x16 (E3). Cũng giống như cách bạn gắn add-in card x4 PCIe vào khe cắm x16, các đầu nối rộng hơn đó sẽ không gặp vấn đề gì khi chứa ổ SSD 4-lane.

Cả đầu nối x4 và x8 đều vừa với khung máy 1U rackmount, trong khi đầu nối x16 dành cho khung máy 2U. Khi hệ sinh thái EDSFF phát triển, chuyên gia của Supermicro mong đợi sự xuất hiện của một số cơ hội thú vị từ góc độ này. “Tôi có thể thấy họ đã lên kế hoạch trước như thế nào, nếu tôi có máy 2U, tôi vẫn có thể lắp 32 ổ đĩa ngay phía trước. Nhưng nếu tôi sử dụng các đầu nối x16, tôi có thể dễ dàng nhét thiết bị mạng vào khe cắm đó, hoặc thậm chí là card FPGA hay GPU.”

Giao diện E3 16-lane cung cấp công suất lên tới 70W, do đó, có giới hạn đối với phạm vi của EDSFF. Nhưng một bài thuyết trình năm 2018 của Paul Kaler, chuyên gia công nghệ lưu trữ tiên tiến tại Hewlett Packard Enterprise, đã giới thiệu khái niệm “điện toán trong bộ lưu trữ”, theo đó một khe cắm E3 có thể phù hợp với sự kết hợp của các đơn vị xử lý đồ họa và tensor cho các ứng dụng AI.

“Còn những người đang tìm cách sử dụng accelerator để tăng tốc lưu trữ thì sao?” Chuyên gia Supermicro hỏi. “Sẽ rất thuận tiện nếu đặt chúng ngay phía trước khung máy cùng với kho lưu trữ của tôi. Đã có người nghiên cứu việc đó rồi.” Vì vậy, rõ ràng, EDSFF có nhiều thứ hơn là SSD, đặc biệt là khi bạn bắt đầu nói về liên kết PCIe và x16 thế hệ tiếp theo.

Điểm mấu chốt: Nhiều dung lượng hơn, nhanh hơn, ít năng lượng và không gian hơn

Hiện tại, EDSFF cung cấp cho chúng ta một cách để đóng gói dung lượng chưa từng có vào không gian chật hẹp khó tin bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn với hiệu suất cao hơn bao giờ hết. Lợi ích của nó đã có thông qua các máy chủ lưu trữ như SSG-1029P-NEL32R của Supermicro. Nhưng vì form-factor kết nối với một lớp vật lý PCIe chung, bạn có thể mong đợi nhiều hơn nữa từ nó trong tương lai.

→ Xem thêm: Ứng dụng thực tế của ổ EDSFF trên các sản phẩm mới, cung cấp chỉ số dung lượng/kích thước chưa từng thấy.

____
Bài viết liên quan