Flash technológia a jej využitie v Oracle Exadata Database Machine

Tento článok sa zaoberá zlepšením výkonu databáz Oracle hardvérovým pridaním inteligentnej pamäte Flash. Exadata Smart Flash Cache je jednou z najdôležitejších technológií databázového serveru Oracle Exadata Database Machine, ktorá umožňuje spracovať až do 1.5 milióna I / O operácií za sekundu (IOPS) a pristupovať k dátam rýchlosťou až do 75 GB/s.

Dnešné komplexné obchodné aplikácie zvyčajne pracujú s obrovskými objemami dát a čelia návalu veľkého množstva užívateľov. Pre dosiahnutie rýchlej odozvy dátovo náročných aplikácií, musia svižne pristupovať k dátam a tie pokiaľ možno čo najrýchlejšie presúvať z úložiska na spracovanie.

Kritickým miestom je často krát práve rýchlosť akou sa pristupuje k dátam. Pomalé odozvy diskových I/O operácii a vysoké latencie zvyknú  obmedzovať priechodnosť medzi úložnými zariadeniami a servermi. Tradičné navýšenie pamäťovej kapacity, alebo pridanie externých diskov je nákladnou záležitosťou, v určitých príp. však môže pomôcť.

Možno už tušíte kde je problém a aké môže byť jeho riešenie. Vysoké latencie a pomalé odozvy sú zapríčinené najmä faktom, že CPU spracúvajú dáta rádovo v nanosekundách a diskové jednotky v milisekundách. O slovo sa preto hlási Flash technológia, ktorá je prísľubom akcelerácie výkonu aplikácií, redukciu úzkych miest a úspory energie v dátových centrách. Výrazné zlepšenie prinášajú napr. rýchle SSD pevné disky (pracujúce na báze Flash), ktoré s dnešnými výkonnými CPU stíhajú držať krok. Nakoľko tieto disky pracujú s dátami v mikrosekundách, prispievajú tak k výraznému zlepšeniu aplikačného výkonu. 

Otázkou však stále zostáva, ako využiť technológie Flash inteligentne a efektívne a ako správne narábať a pristupovať k rôznorodým dátam tak, aby tým neutrpel výkon. Pre riešenie tohto problému vytvorila spoločnosť Oracle prvú databázu využívajúcu rýchlosť pamäte Flash a vlastnú technológiu nazvala Oracle Database Smart Flash Cache.

Database Smart Flash Cache

Funkcia Database Smart Flash Cache je dostupná v druhom vydaní Oracle Database 11g ako pre Oracle Solaris tak Oracle Enterprise Linux. Inteligentne ukladá dáta z databázy Oracle a nahrádza pomalé diskové I/O operácie oveľa rýchlejšími Flash operáciami. Database Smart Flash Cache  poskytuje administrátorom možnosť výrazne zlepšiť výkon databáz Oracle znížením množstva tradičných I / O problémov za oveľa nižšiu cenu ako v prípade navýšenia zodpovedajúcim množstvom pamäte RAM. 

Database Smart Flash je šikovná a inteligentná technológia, nakoľko sama dokáže rozpoznať, ktoré dáta do vyrovnávacej pamäte uloží  a ktoré nie, alebo vyhodnotiť také, ktoré sa do nej jednoducho nezmestia. To všetko prebieha automaticky bez nutnosti akejkoľvek konfigurácie alebo ladenia.

Obr. 1: Sun Flash Accelerator F20 PCIe Card

Sun Flash Accelerator F20 PCIe karta je inovatívnym produktom. Spája v sebe štyri Flash moduly (každý z nich obsahuje kvalitné 24 GB SLC NAND Flash pamäte a 64 MB dynamickej pamäte s priamym prístupom (DRAM), celkovo je teda k dispozícii 96 GB pamäte Flash a 256 MB DRAM na kartu. Súčasťou každej karty je tiež supercapacitor modul, ktorý zaisťuje dostatok energie v prípade náhleho výpadku prúdu.

Sun Flash Accelerator F20 PCIe karta ponúka obrovské zvýšenie výkonu pre aplikácie s využitím Flash technológie. Poskytuje až 100 000 I /O operácií za sekundu (IOPS), v porovnaní s 330 IOPS v príp. tradičných diskov. To je približne rovnaký počet I/O operácií ako dokáže dodať tristo 15 000 RPM diskov dohromady.

 

Sun Flash Accelerator F20 PCIe karta
 

Sun Flash Accelerator F20 PCIe karta ponúka nasledovné výhody:

Nízke latencie (krátke čakacie doby)
 

Sun Flash Accelerator F20 PCIe karta sa prezentuje ako HBA zariadenie (so štyrmi samostatnými 24 GB diskami), ktoré nevyžaduje žiadne špeciálne ovládače. Spoločnosť Oracle však dáva k dispozícii firmware, ktorý možno v príp. potreby sťahovať z internetu.

Vzhľadom k tomu, že pamäte Flash neobsahujú žiadne pohyblivé časti, je prístup k dátam bleskurýchly. Nakoľko Flash technológia vykonáva I / O operácie v mikrosekundách nedochádza k oneskoreniam ako je to v príp. tradičnej HDD technológie.
 

Extrémna spoľahlivosť pre firemný sektor

Úzka spolupráca inžinierov zo spoločnosti Sun s výrobcami NAND sa odrazila aj na konkrétnom vylepšení spoľahlivosti Flash pamätí. Podnikové SLC NAND pamäte sú veľmi kvalitné a vykazujú väčšiu odolnosť ako komerčne dostupné riešenia používané v spotrebnom tovare, ako sú napr. MP3 prehrávače a digitálne fotoaparáty. Okrem toho sú dimenzované na viac ako 2 miliónov hodín MTBF  (stredná doba medzi poruchami), čo inými slovami znamená, že chyba by sa nemala vyskytnúť skôr ako po 2 miliónoch hodín nepretržitej prevádzky.

Flash pamäte sú riadené Flash pamäťovým radičom s integrovaným RAID-om, zahŕňajú v sebe sofistikovanú technológiu mapovania, korekciu chýb (ECC) a zlých blokov. Aj preto poskytujú pamäte Flash najvyššiu možnú odolnosť a trvácnosť. Každý Flash modul obsahuje navyše 8 GB (alebo 25%) vyhradenej vnútornej kapacity, ktorá je k dispozícii v príp. opotrebovaných blokov a slúži na ich náhradu. 

Tieto polovodičové pamäte nie sú energeticky náročné (cca 2 watty pre každý 24 GB modul), čo je obzvlášť nízka spotreba. Karta sama spotrebuje asi 16,5 W pri bežnej prevádzke. V porovnaní s inými Flash diskami poskytuje Sun Flash Accelerator F20 PCIe Card  výhody Flash diskov v kompaktnom vyhotovení nízko profilovej PCIe karty zaberajúcej na základnej doske iba jeden slot. Je preto obzvlášť vhodná pre existujúce servery s obmedzeným počtom dostupných diskových slotov, alebo v príp. že nechcete nahradiť klasické disky diskami SSD. 

Výsledky meraní

Merania boli realizované  s využitím igen-OLTP 1.6 benchmarku, ktorý je primárne určený na testovanie záťaže databáz. Na pozadí bol spustený ľahký globálny objednávkový systém s databázou 1,25 milióna zákazníkov a veľkosťou približne 50 GB. Databáza sa skladala zo šiestich tabuliek, pričom každá z nich obsahovala viac ako šesť stĺpcov. Aplikácia spustila päť transakcií: ľahké, stredné, priemerné, DSS a ťažké. Tieto transakcie zahŕňali rôzne SQL dopyty, pričom všetky testy boli vykonávané  kombináciou všetkých týchto transakcií. 

Testy boli vykonávané s a bez Smart Cache Flash, zakaždým pri rôznej veľkosť vyrovnávacej pamäte SGA cache na 10%, 16% a 20%. Výsledky ukázali, že inteligentné databázy využívajúce rýchlu a efektívnu Flash pamäť dokážu poskytnúť významný nárast výkonu.

Kľúčovou metrikou pre každú OLTP databázu je počet transakcií, ktoré môžu byť vykonané v danom časovom momente. Okrem počtu transakcií za minútu (TPM), je tiež nevyhnutné, aby bolo obslúžených v prijateľných odozvách čo najviac užívateľov. Z výsledkov porovnávacích testov igen-OLTP Oracle vyplýva, že ak je veľkosť vyrovnávacej SGA pamäte 10% z celkovej veľkosti databázy, môže byť systém škálovaný pre podporu 43% viac užívateľov a 29% vyššie TPM ako v príp. databázy bez Smart Flash Cache technológie.

Tieto výsledky sú rovnocenné s výsledkami získanými pri zdvojnásobení veľkosti vyrovnávacej SGA pamäte na 20% celkovej veľkosti databázy a bez nasadenie Flash technológie, čo je vzhľadom k nákladom drahšie riešenie. Potrebné je nakúpiť dodatočné pamäte, pričom požiadavky na napájanie sú taktiež nezanedbateľné.

Smart Flash Cache technológia spoločnosti Oracle poskytuje vysokú škálovateľnosť potrebnú na splnenie požiadaviek kladených na zvyšujúce sa pracovné vyťaženie a rastúci počet užívateľov. Len tým, že sa pridá Sun Accelerator F20 PCIe karta k existujúcemu serveru a bez sťahovania iných špeciálnych ovládačov alebo rekompilácie aplikácie, môže byť obslúžených omnoho viac užívateľov a zvládnutých oveľa viac transakcií. Urýchli sa tým taktiež výkon aplikácií, zvýši obchodná produktivita, zlepší návratnosť investícií a v neposlednom rade sa posilní zážitok konečných užívateľov.