Os pesquisadores do MIT desenvolveram um novo sistema de armazenamento em flash que poderia cortar pela metade a energia e o espaço físico necessários para um dos componentes mais caros dos data centers:o armazenamento de dados.

Os data centers são farms de servidores que facilitam a comunicação entre os usuários e os serviços da web, e são algumas das instalações que mais consomem energia no mundo. Neles, milhares de servidores que consomem muita energia armazenam dados do usuário, e servidores separados executam serviços de aplicativos que acessam esses dados. Outros servidores às vezes facilitam a computação entre esses dois clusters de servidor.

A maioria dos servidores de armazenamento hoje usa unidades de estado sólido (SSDs), que usam armazenamento flash - microchips de memória programáveis ​​e apagáveis ​​eletronicamente sem partes móveis - para lidar com solicitações de dados de alto rendimento em altas velocidades. Em um artigo apresentado na Conferência Internacional ACM sobre Suporte Arquitetônico para Linguagens de Programação e Sistemas Operacionais, os pesquisadores descrevem um novo sistema chamado LightStore que modifica SSDs para se conectar diretamente à rede de um data center - sem a necessidade de nenhum outro componente - e para suportar operações de armazenamento de dados mais simples e eficientes do ponto de vista computacional. Outras inovações de software e hardware integram perfeitamente o sistema à infraestrutura de data center existente.

Em experimentos, os pesquisadores encontraram um cluster de quatro unidades LightStore, chamados de nós de armazenamento, funcionou duas vezes mais eficientemente que os servidores de armazenamento tradicionais, medido pelo consumo de energia necessário para solicitações de dados de campo. O cluster também exigiu menos da metade do espaço físico ocupado pelos servidores existentes.

Os pesquisadores dividiram a economia de energia por operações de armazenamento de dados individuais, como uma forma de capturar melhor a economia total de energia do sistema. Em dados de "escrita aleatória", por exemplo, que é a operação com maior intensidade computacional na memória flash, O LightStore operou quase oito vezes mais eficientemente do que os servidores tradicionais.

A esperança é que, um dia, Os nós LightStore podem substituir servidores com grande consumo de energia em data centers. "Estamos substituindo essa arquitetura por uma mais simples, solução de armazenamento mais barata ... que vai ocupar metade do espaço e metade da energia, ainda fornecem o mesmo desempenho de capacidade de transferência, "diz o co-autor Arvind, o professor Johnson em Engenharia de Ciência da Computação e pesquisador do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial. "Isso vai te ajudar nas despesas operacionais, pois consome menos energia, e despesas de capital, porque a economia de energia em data centers se traduz diretamente em economia de dinheiro. "

Juntando-se a Arvind no papel estão:primeiro autor Chanwoo Chung, um aluno de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação; e os alunos de pós-graduação Jinhyung Koo e Junsu Im, e o professor Sungjin Lee, todos do Instituto Daegu Gyeongbuk de Ciência e Tecnologia (DGIST).

Adicionando "valor" ao flash

Um grande problema de eficiência com os data centers de hoje é que a arquitetura não mudou para acomodar o armazenamento flash. Anos atrás, servidores de armazenamento de dados consistiam em discos rígidos relativamente lentos, junto com muitos circuitos dinâmicos de memória de acesso aleatório (DRAM) e unidades de processamento central (CPU) que ajudam a processar rapidamente todos os dados que chegam dos servidores de aplicativos.

Hoje, Contudo, os discos rígidos foram substituídos principalmente por unidades flash muito mais rápidas. "As pessoas simplesmente conectavam o flash onde os discos rígidos costumavam estar, sem mudar mais nada, "Chung diz." Se você pode simplesmente conectar drives flash diretamente a uma rede, você não precisará desses servidores de armazenamento caros. "

Para LightStore, os pesquisadores primeiro modificaram SSDs para serem acessados ​​em termos de "pares de valor-chave, "um protocolo muito simples e eficiente para recuperar dados. Basicamente, as solicitações do usuário aparecem como chaves, como uma sequência de números. As chaves são enviadas para um servidor, que libera os dados (valor) associados a essa chave.

O conceito é simples, mas as chaves podem ser extremamente grandes, portanto, computá-los (pesquisando e inserindo) apenas em SSD requer muito poder de computação, que é usado pela tradicional "camada de tradução em flash". Este software bastante complexo é executado em um módulo separado em uma unidade flash para gerenciar e movimentar os dados. Os pesquisadores usaram certas técnicas de estruturação de dados para executar este software de gerenciamento de flash usando apenas uma fração do poder de computação. Ao fazer isso, eles descarregaram o software inteiramente em um circuito minúsculo na unidade flash que funciona com muito mais eficiência.

Esse descarregamento libera CPUs separadas já na unidade - que são projetadas para simplificar e executar a computação mais rapidamente - para executar o software LightStore personalizado. Este software usa técnicas de estruturação de dados para processar com eficiência as solicitações de pares de valores-chave. Essencialmente, sem mudar a arquitetura, os pesquisadores converteram uma unidade flash tradicional em uma unidade de valor-chave. "Então, estamos adicionando esse novo recurso para flash, mas na verdade não estamos adicionando nada, "Arvind diz.

Adaptação e dimensionamento

O desafio era garantir que os servidores de aplicativos pudessem acessar dados nos nós LightStore. Em data centers, aplicativos acessam dados por meio de uma variedade de protocolos estruturais, como sistemas de arquivos, bancos de dados, e outros formatos. Os servidores de armazenamento tradicionais executam software sofisticado que fornece aos servidores de aplicativos acesso por meio de todos esses protocolos. Mas isso usa uma boa quantidade de energia de computação e não é adequado para ser executado no LightStore, que depende de recursos computacionais limitados.

Os pesquisadores desenvolveram um software muito leve em termos de computação, chamado de "adaptador, "que traduz todas as solicitações do usuário de serviços de aplicativos em pares de valor-chave. Os adaptadores usam funções matemáticas para converter informações sobre os dados solicitados - como comandos de protocolos específicos e números de identificação do servidor de aplicativos - em uma chave. Em seguida, ele envia essa chave para o nó LightStore apropriado, que encontra e libera os dados emparelhados. Como este software é computacionalmente mais simples, ele pode ser instalado diretamente nos servidores de aplicativos.

"Quaisquer dados que você acessar, fazemos algumas traduções que me dizem a chave e o valor associado a ela. Ao fazer isso, Também estou removendo alguma complexidade dos servidores de armazenamento, "Arvind diz.

Uma inovação final é que adicionar nós LightStore a um cluster é escalonado linearmente com a taxa de transferência de dados - a taxa na qual os dados podem ser processados. Tradicionalmente, as pessoas empilham SSDs em data centers para lidar com uma taxa de transferência mais alta. Mas, enquanto a capacidade de armazenamento de dados pode crescer, os platôs de rendimento após apenas algumas unidades adicionais. Em experimentos, os pesquisadores descobriram que quatro nós LightStore ultrapassam os níveis de rendimento pela mesma quantidade de SSDs.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.