Les chercheurs du MIT ont conçu un nouveau système de stockage flash qui pourrait réduire de moitié l'énergie et l'espace physique requis pour l'un des composants les plus coûteux des centres de données :le stockage de données.

Les centres de données sont des fermes de serveurs qui facilitent la communication entre les utilisateurs et les services Web, et comptent parmi les installations les plus énergivores au monde. En eux, des milliers de serveurs gourmands en énergie stockent les données des utilisateurs, et des serveurs séparés exécutent des services d'application qui accèdent à ces données. D'autres serveurs facilitent parfois le calcul entre ces deux clusters de serveurs.

La plupart des serveurs de stockage utilisent aujourd'hui des disques à semi-conducteurs (SSD), qui utilisent le stockage flash - des micropuces de mémoire programmables et effaçables électroniquement sans pièces mobiles - pour gérer les demandes de données à haut débit à des vitesses élevées. Dans un article présenté à la conférence internationale ACM sur le support architectural pour les langages de programmation et les systèmes d'exploitation, les chercheurs décrivent un nouveau système appelé LightStore qui modifie les disques SSD pour se connecter directement au réseau d'un centre de données, sans avoir besoin d'autres composants, et pour prendre en charge des opérations de stockage de données plus simples et plus efficaces sur le plan informatique. D'autres innovations logicielles et matérielles intègrent de manière transparente le système dans l'infrastructure de centre de données existante.

Dans les expériences, les chercheurs ont trouvé un groupe de quatre unités LightStore, appelés nœuds de stockage, fonctionnait deux fois plus efficacement que les serveurs de stockage traditionnels, mesurée par la consommation électrique nécessaire pour répondre aux demandes de données. Le cluster nécessitait également moins de la moitié de l'espace physique occupé par les serveurs existants.

Les chercheurs ont ventilé les économies d'énergie par opérations de stockage de données individuelles, comme moyen de mieux saisir toutes les économies d'énergie du système. Dans les données "d'écriture aléatoire", par exemple, qui est l'opération la plus gourmande en calcul dans la mémoire flash, LightStore fonctionnait près de huit fois plus efficacement que les serveurs traditionnels.

L'espoir est que, un jour, Les nœuds LightStore pourraient remplacer les serveurs énergivores dans les centres de données. "Nous remplaçons cette architecture par une architecture plus simple, solution de stockage moins chère… qui prendra moitié moins d'espace et moitié moins d'énergie, tout en offrant les mêmes performances de capacité de débit, " dit le co-auteur Arvind, le professeur Johnson en génie informatique et chercheur au Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle. "Cela vous aidera dans les dépenses de fonctionnement, car il consomme moins d'énergie, et les dépenses en capital, car les économies d'énergie dans les centres de données se traduisent directement par des économies d'argent."

Rejoindre Arvind sur le papier sont:le premier auteur Chanwoo Chung, un étudiant diplômé du Département de génie électrique et d'informatique; et les étudiants diplômés Jinhyung Koo et Junsu Im, et le professeur Sungjin Lee, tous de l'Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (DGIST).

Ajouter de la "valeur" au flash

Un problème majeur d'efficacité avec les centres de données d'aujourd'hui est que l'architecture n'a pas changé pour s'adapter au stockage flash. Il y a des années, les serveurs de stockage de données se composaient de disques durs relativement lents, ainsi que de nombreux circuits de mémoire dynamique à accès aléatoire (DRAM) et des unités centrales de traitement (CPU) qui aident à traiter rapidement toutes les données provenant des serveurs d'applications.

Aujourd'hui, cependant, les disques durs ont pour la plupart été remplacés par des lecteurs flash beaucoup plus rapides. "Les gens ont juste branché le flash là où se trouvaient les disques durs, sans rien changer d'autre, " dit Chung. " Si vous pouvez simplement connecter des lecteurs flash directement à un réseau, vous n'aurez pas du tout besoin de ces serveurs de stockage coûteux."

Pour LightStore, les chercheurs ont d'abord modifié les SSD pour y accéder en termes de "paires clé-valeur, " un protocole très simple et efficace pour récupérer des données. En gros, les demandes des utilisateurs apparaissent sous forme de clés, comme une chaîne de nombres. Les clés sont envoyées à un serveur, qui libère les données (valeur) associées à cette clé.

Le concept est simple, mais les clés peuvent être extrêmement grandes, donc les calculer (rechercher et insérer) uniquement en SSD demande beaucoup de puissance de calcul, qui est utilisé par la "couche de traduction flash" traditionnelle. Ce logiciel assez complexe s'exécute sur un module séparé sur un lecteur flash pour gérer et déplacer les données. Les chercheurs ont utilisé certaines techniques de structuration des données pour exécuter ce logiciel de gestion flash en utilisant seulement une fraction de la puissance de calcul. Ce faisant, ils ont entièrement déchargé le logiciel sur un petit circuit dans le lecteur flash qui fonctionne beaucoup plus efficacement.

Ce déchargement libère des processeurs distincts déjà sur le disque, qui sont conçus pour simplifier et exécuter plus rapidement les calculs, pour exécuter le logiciel LightStore personnalisé. Ce logiciel utilise des techniques de structuration des données pour traiter efficacement les demandes de paires clé-valeur. Essentiellement, sans changer l'architecture, les chercheurs ont converti un lecteur flash traditionnel en un lecteur clé-valeur. "Donc, nous ajoutons cette nouvelle fonctionnalité pour flash, mais nous n'ajoutons vraiment rien du tout, " dit Arvind.

Adaptation et mise à l'échelle

Le défi consistait alors à garantir que les serveurs d'applications puissent accéder aux données dans les nœuds LightStore. Dans les centres de données, les applications accèdent aux données via une variété de protocoles structurels, tels que les systèmes de fichiers, bases de données, et d'autres formats. Les serveurs de stockage traditionnels exécutent un logiciel sophistiqué qui permet aux serveurs d'applications d'accéder via tous ces protocoles. Mais cela utilise une bonne quantité d'énergie de calcul et ne convient pas pour s'exécuter sur LightStore, qui repose sur des ressources de calcul limitées.

Les chercheurs ont conçu un logiciel très léger sur le plan informatique, appelé "adaptateur, " qui traduit toutes les demandes des utilisateurs des services d'application en paires clé-valeur. Les adaptateurs utilisent des fonctions mathématiques pour convertir les informations sur les données demandées, telles que les commandes des protocoles spécifiques et les numéros d'identification du serveur d'applications, en une clé. Il envoie ensuite cette clé au nœud LightStore approprié, qui trouve et libère les données appariées. Parce que ce logiciel est informatiquement plus simple, il peut être installé directement sur les serveurs d'applications.

"Quelles que soient les données auxquelles vous accédez, nous faisons une traduction qui m'indique la clé et la valeur qui lui est associée. Ce faisant, J'enlève également une certaine complexité aux serveurs de stockage, " dit Arvind.

Une dernière innovation est que l'ajout de nœuds LightStore à un cluster évolue de manière linéaire avec le débit de données, c'est-à-dire la vitesse à laquelle les données peuvent être traitées. Traditionnellement, les gens empilent des disques SSD dans des centres de données pour s'attaquer à un débit plus élevé. Mais, alors que la capacité de stockage des données peut augmenter, le débit atteint un plateau après seulement quelques disques supplémentaires. Dans les expériences, les chercheurs ont découvert que quatre nœuds LightStore dépassent les niveaux de débit du même nombre de SSD.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.