Los investigadores del MIT han diseñado un novedoso sistema de almacenamiento flash que podría reducir a la mitad la energía y el espacio físico necesarios para uno de los componentes más costosos de los centros de datos:el almacenamiento de datos.

Los centros de datos son granjas de servidores que facilitan la comunicación entre los usuarios y los servicios web, y son algunas de las instalaciones que consumen más energía del mundo. En ellos, miles de servidores que consumen mucha energía almacenan datos de usuario, y los servidores independientes ejecutan servicios de aplicaciones que acceden a esos datos. A veces, otros servidores facilitan el cálculo entre esos dos clústeres de servidores.

La mayoría de los servidores de almacenamiento actuales utilizan unidades de estado sólido (SSD), que utilizan almacenamiento flash (microchips de memoria borrables y programables electrónicamente sin partes móviles) para manejar solicitudes de datos de alto rendimiento a altas velocidades. En un artículo presentado en la Conferencia Internacional ACM sobre soporte arquitectónico para lenguajes de programación y sistemas operativos, los investigadores describen un nuevo sistema llamado LightStore que modifica los SSD para conectarse directamente a la red de un centro de datos, sin necesidad de otros componentes, y para admitir operaciones de almacenamiento de datos más simples y eficientes desde el punto de vista computacional. Otras innovaciones de software y hardware integran a la perfección el sistema en la infraestructura del centro de datos existente.

En experimentos, los investigadores encontraron un grupo de cuatro unidades LightStore, llamados nodos de almacenamiento, funcionaba con el doble de eficacia que los servidores de almacenamiento tradicionales, medido por el consumo de energía necesario para las solicitudes de datos de campo. El clúster también requería menos de la mitad del espacio físico ocupado por los servidores existentes.

Los investigadores desglosaron los ahorros de energía por operaciones de almacenamiento de datos individuales, como una forma de capturar mejor el ahorro total de energía del sistema. En datos de "escritura aleatoria", por ejemplo, que es la operación más intensiva desde el punto de vista computacional en la memoria flash, LightStore funcionó casi ocho veces más eficientemente que los servidores tradicionales.

La esperanza es que Un día, Los nodos LightStore podrían reemplazar a los servidores que consumen mucha energía en los centros de datos. "Estamos reemplazando esta arquitectura por una más simple, solución de almacenamiento más barata ... que ocupará la mitad de espacio y la mitad de energía, sin embargo, proporcionan el mismo rendimiento de capacidad de rendimiento, "dice el coautor Arvind, el profesor Johnson en Ingeniería Informática e investigador del Laboratorio de Informática e Inteligencia Artificial. "Eso le ayudará en los gastos operativos, ya que consume menos energía, y gastos de capital, porque los ahorros de energía en los centros de datos se traducen directamente en ahorros de dinero ".

Junto a Arvind en el artículo están:el primer autor Chanwoo Chung, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática; y los estudiantes de posgrado Jinhyung Koo y Junsu Im, y el profesor Sungjin Lee, todo el Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk (DGIST).

Añadiendo "valor" a flash

Un problema importante de eficiencia de los centros de datos actuales es que la arquitectura no ha cambiado para adaptarse al almacenamiento flash. Hace años que, Los servidores de almacenamiento de datos consistían en discos duros relativamente lentos, junto con una gran cantidad de circuitos de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) y unidades de procesamiento central (CPU) que ayudan a procesar rápidamente todos los datos que ingresan desde los servidores de aplicaciones.

Hoy dia, sin embargo, Los discos duros se han reemplazado en su mayoría por unidades flash mucho más rápidas. "La gente simplemente conectó el flash donde solían estar los discos duros, sin cambiar nada más, ", Dice Chung." Si puedes conectar unidades flash directamente a una red, no necesitará en absoluto estos costosos servidores de almacenamiento ".

Para LightStore, los investigadores primero modificaron los SSD para acceder a ellos en términos de "pares clave-valor, "un protocolo muy simple y eficiente para recuperar datos. Básicamente, las solicitudes de los usuarios aparecen como claves, como una cadena de números. Las claves se envían a un servidor, que libera los datos (valor) asociados con esa clave.

El concepto es simple, pero las claves pueden ser extremadamente grandes, por lo que calcularlos (buscarlos e insertarlos) únicamente en SSD requiere mucha potencia de cálculo, que es utilizada por la tradicional "capa de traducción flash". Este software bastante complejo se ejecuta en un módulo separado en una unidad flash para administrar y mover datos. Los investigadores utilizaron ciertas técnicas de estructuración de datos para ejecutar este software de gestión flash utilizando solo una fracción de la potencia informática. Al hacerlo, descargaron el software por completo en un pequeño circuito en la unidad flash que funciona de manera mucho más eficiente.

Esa descarga libera CPU separadas que ya están en la unidad, que están diseñadas para simplificar y ejecutar el cálculo más rápidamente, para ejecutar el software LightStore personalizado. Este software utiliza técnicas de estructuración de datos para procesar de manera eficiente las solicitudes de pares clave-valor. Esencialmente, sin cambiar la arquitectura, los investigadores convirtieron una unidad flash tradicional en una unidad de valor clave. "Entonces, estamos agregando esta nueva función para flash, pero en realidad no estamos agregando nada en absoluto, "Dice Arvind.

Adaptación y escalado

Luego, el desafío fue garantizar que los servidores de aplicaciones pudieran acceder a los datos en los nodos de LightStore. En los centros de datos, las aplicaciones acceden a los datos a través de una variedad de protocolos estructurales, como sistemas de archivos, bases de datos, y otros formatos. Los servidores de almacenamiento tradicionales ejecutan un software sofisticado que proporciona acceso a los servidores de aplicaciones a través de todos estos protocolos. Pero esto usa una buena cantidad de energía de cálculo y no es adecuado para ejecutarse en LightStore, que depende de recursos computacionales limitados.

Los investigadores diseñaron un software muy ligero desde el punto de vista computacional, llamado "adaptador, "que traduce todas las solicitudes de los usuarios de los servicios de la aplicación en pares clave-valor. Los adaptadores utilizan funciones matemáticas para convertir la información sobre los datos solicitados, como los comandos de los protocolos específicos y los números de identificación del servidor de la aplicación, en una clave. Luego envía esa clave al nodo LightStore apropiado, que encuentra y libera los datos emparejados. Debido a que este software es computacionalmente más simple, se puede instalar directamente en los servidores de aplicaciones.

"Independientemente de los datos a los que acceda, hacemos una traducción que me dice la clave y el valor asociado a ella. Al hacerlo, También estoy quitando algo de complejidad a los servidores de almacenamiento, "Dice Arvind.

Una última innovación es que la adición de nodos LightStore a un clúster se escala linealmente con el rendimiento de los datos, la velocidad a la que se pueden procesar los datos. Tradicionalmente, las personas apilan SSD en centros de datos para abordar un mayor rendimiento. Pero, mientras que la capacidad de almacenamiento de datos puede crecer, el rendimiento se estabiliza después de unas pocas unidades adicionales. En experimentos, los investigadores encontraron que cuatro nodos LightStore superan los niveles de rendimiento en la misma cantidad de SSD.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.