Computational Storage: Speicher ist nicht gleich Speicher

«Reduziert die Verarbeitungszeit um über 50 Prozent, den Energieverbrauch um bis zu 70 Prozent und die CPU-Auslastung um bis zu 97% im Vergleich zu herkömmlichen SSD-Laufwerken.» 

Das heisst es auf der Samsung Website. Das Unternehmen hat kürzlich eine Smart SSD der zweiten Generation auf den Markt gebracht. Smart SSDs werden von Speicherspezialisten seit Jahren diskutiert. Jetzt entwickelt sich die Diskussion zum Trend.

Das neue SSD ist als Computational Storage Device (CSD) klassifiziert,
was bedeutet, dass es die Datenverarbeitung an Bord übernimmt
und dadurch Engpässe minimiert, die durch die Notwendigkeit entstehen,
Daten zwischen Speicher und CPU, GPU und RAM zu übertragen.  Bild Samsung

Computational Storage heisst die Idee, die ganz konkrete Produkte und Konzepte hervorgebracht hat nicht nur von Samsung. Dazu gehören die DPUs (Data Processing Units) von Nvidia und die IPUs (Infrastructure Processing Units) von Intel, die darauf abzielen, die Speicher Workloads von den Server-CPUs in den Rechenzentren zu übernehmen. Auch der  Telekomkonzern und Speicherspezialist Huawei entwickelt ein derartiges Speicherkonzept. Dabei gehe es um den «Aufbau einer datenzentrierten, vertrauenswürdigen Speichergrundlage für verschiedenste Anwendungen», wie am 2022 Innovative Data Infrastructure Forum dargelegt wurde. Deshalb werde das Unternehmen der Entwicklung von entkoppelten Speicher-Rechner-Architekturen und der Beschleunigung von Datenanwendungen Priorität einräumen.

Datenverarbeitung und Speicherung sind in Rechenzentren getrennt. Langsam setzt sich aber die Idee durch, dass es ineffizient und aufwendig ist, wenn Daten vom Speicher zu den CPUs hin- und hergeschoben werden, wo sie verarbeitet werden können. Warum sollten die Daten nicht dort verarbeitet werden, wo sie gespeichert sind, um die Latenzzeiten, den Stromverbrauch und die Kosten zu reduzieren, die mit dem Hin- und Herbewegen der Daten verbunden sind? Da die Datenmengen immer grösser werden, wird diese Frage immer wichtiger.

Auf der Webseite der Speicherindustrie-Vereinigung (SNIA) heisst es zum Thema Computational Storage:

"Computational-Storage-Lösungen zielen in der Regel auf Anwendungen ab, bei denen die Nachfrage nach der Verarbeitung ständig wachsender Speicherarbeitslasten die traditionellen Server-Architekturen übersteigt. Zu diesen Anwendungen gehören künstliche Intelligenz (KI), Big Data, Content Delivery, Datenbanken, maschinelles Lernen (ML) und viele andere, die branchenweit eingesetzt werden."

Die genannten Bereiche weisen allesamt ein grosses Wachstum auf – was wiederum verheissend ist für computational Storage. Die Entwicklung steht aber erst am Anfang – es müssen bei vielen Unternehmen und in Datacenters noch einige Strukturen geändert werden, bevor der Durchbruch gelingt.

Die unvorstellbare Schnelligkeit des Supercomputers

Sie sind riesig, und enorm leistungsfähig, die sogenannten Supercomputer, die sich regelmäßig um einen Platz in der Rangliste der schnellsten Maschinen streiten. Gegenwärtig ist die USA hier führend - dank einem Computermonster von IBM, das von tausenden Intel- und Nvidia-Chips angetrieben wird.

Ein Computermonster von IBM: Summit ist der schnellste Supercomputer der
Welt.                                                                                                  Bild ORNL

Die Rechenanlage heisst Summit und steht im Oak Ridge National Laboratory im amerikanischen Bundesstaat Tennessee, und was sie leistet, kann nur in unvorstellbar grossen Zahlen ausgedrückt werden: Es sind mehr als 200 Petaflops oder 22,3 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde, die von über 9000 IBM Power9-Prozessoren und rund 27.000 Nvidia Tesla V100 erbracht werden (eine Billiarde hat 15 Nullen).

Die Hersteller halten einige zusätzliche interessante Fakten bereit: Wenn jede Person auf der Welt eine Rechenoperation pro Sekunde durchführen könnte, würde es ein ganzes Jahr dauern, um zu erledigen, was Summit in einer Sekunde erledigt. In der Anlage wurden 300 Kilometer Glasfaserkabel verbaut, und die internen Speicher haben eine Kapazität von 250 Petabytes - ein Petabyte entspricht einer Million Gigabytes. Auch der Energieverbrauch ist nicht unbescheiden: Etwa 15 Megawatt werden als Spitzenleistung angegeben.

Das Rennen um die Spitzenplätze in der Supercomputerrangliste geht weiter. Zitat aus heise.de:

“Somit gehen nun Platz eins und drei an die USA. Die Chinesen haben allerdings am 17. Mai auf dem 2nd World Intelligence Congress in Tianjin bereits erste Racks des geplanten Exascale-Rechners Tianhe-3 auf Basis selbst entwickelter Prozessoren und Interconnects vorgestellt.“

Die Entwickler von Supercomputern sind gleichzeitig dabei, auf dem Gebiet der Quantencomputer Fortschritte zu machen. Diese Technologie wird in Sachen Leistungsfähigkeit einen grossen Sprung vorwärts bringen:

“Für viele gilt der Quantenrechner als das „nächste große Ding“ in der Computerwelt. Die Rechenmaschine soll, weil sie die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik ausnutzt, große Datenbanken in Windeseile durchforsten, riesige Datenmengen extrem schnell verarbeiten können - und darin Muster erkennen, die für einen klassischen Computer nur schwer auszumachen sind. Zudem soll ein leistungsfähiger Quantencomputer jeden bisher als sicher geltenden Code knacken können, was Sicherheitsexperten schlaflose Nächte bereiten dürfte. Und das sind nur einige der an diese Technologie geknüpften Erwartungen. War das Rechenwunder noch vor zehn Jahren nur von akademischem Interesse, basteln heute fast alle großen Computerhersteller und Internetfirmen an ihren eigenen Wunderkisten, allen voran IBM, Intel, Microsoft und Alphabet (Google).“

Ob es diesen Wundercomputer aber überhaupt je geben wird, ist noch unklar. Jedenfalls gibt es bei der Entwicklung enorme Probleme, die noch zu lösen sind. Wenn der Quantencomputer dann aber tatsächlich kommen sollte, wird er die ganze Computerwelt von Grund auf ändern.

Autonome Autos, weniger Stau und eine blühende Weltwirtschaft

Intel, jene Firma, die uns bis jetzt mit den Chips versorgt hat, die unsere Computer funktionieren lassen, ist auch an autonomen Autos interessiert. In diesem Zusammenhang wurde jetzt eine Studie veröffentlicht, die einen enormen Wachstumsschub für die Weltwirtschaft voraussagt – verursacht durch selbstfahrende Autos.

BMW ist einer der Hersteller, der mit Intel am autonomen Auto arbeitet. Das
Bild zeigt ein Auto, das mit solcher Technologie ausgerüstet ist.      Bild Intel

Die meisten grossen Automobilhersteller und IT-Unternehmen machen im Rennen um die Herstellung von autonomen Autos mit. So auch der amerikanische Chip-Hersteller Intel, der unter anderem zusammen mit BMW an einem selbstfahrenden Wagen arbeitet. Für Intel sei die Arbeit an selbstfahrenden Autos ein logischer Schritt, heisst es auf der Firmenwebsite, denn Intel verfüge über die nötigen Tools und Kooperationen, um die Industrie voranzubringen:

“Der erforderliche technische Aufwand für vollständig fahrerlose Fahrzeuge ist gewaltig. So werden Sensoren für LiDAR, Sonar, Radar und optische Signale, Netzknoten für die Zusammenführung von Millionen Datenpunkten sowie im Auto integrierte Mikroprozessoren und Hochgeschwindigkeitsverbindungen für die Erfassung, Verarbeitung und Übertragung von Daten benötigt.“

Intel geht davon aus, dass die Automatisierung von Autos, die jetzt noch durch Menschen gesteuert werden, einen enormen Wachstumsschub für die Wirtschaft auslösen wird. Die Zahlen, die zum Thema von den Analytikern der Firma Strategy Analytics geliefert werden, untermauern diese These. Die Studie errechnet eine steile Kurve mit 800 Milliarden Dollar Wachstum im Jahr 2015 bis zu sieben Billionen im Jahr 2050. Das auf diese Weise generierte Wachstum nennt Intel die “Passagierwirtschaft“, weil nämlich in den grössten Städten der Welt durch autonome Fahrzeuge mehr als 250 Millionen Stunden an Pendlerzeit gespart würden, die dann produktiv eingesetzt werden könnten.

Und natürlich soll das autonome Fahren auch viel sicherer sein, als Menschen am Steuer: Gemäss Intel sollen durch die Technologie in den zehn Jahren von 1935 bis 1945 mehr als eine halbe Million tödliche Unfälle vermieden werden. Intel sieht die kommende Inanspruchnahme von MaaS – Mobility as a Service – durch Unternehmen und private Verbraucher als wichtigsten Teil der neuen Passagierwirtschaft, die ihrerseits wieder neue Wirtschaftsaktivitäten generieren wird. Denn die Menschen in ihren selbstfahrenden Autos wollen beschäftigt werden – sei es durch Unterhaltung, Arbeit oder Erholungsaktivitäten.

Ob und in welchem Umfang die Intel-Voraussagen eintreffen werden, wissen wir nicht – denn, wie gescheiter Mann einmal gesagt hat: 

“Prognosen sind schwierig, vor allem wenn sie die Zukunft betreffen“.

Das gilt vor allem auch für die IT-Branche, die schon mehrmals mit Entwicklungen aufgewartet hat, die niemand vorhersagen konnte.

Ultrabook heisst ultradünn

Auch im Zeitalter der Tablets und der Smartphones hat der Laptop eine Zukunft. Das glauben nicht nur wir, sondern auch Intel, mit der neuen Ultrabook-Definition.

 Ob der iPad und das Smartphone dem Notebook und dem Netbook den Garaus machen werden, ist wohl nicht abzusehen. Smartphones und Tablets übernehmen jedenfalls viele Aufgaben mobiler PCs und genügen damit den Anforderungen zahlreicher User. Das zeigt sich auch darin, dass schon in Vor-iPad-Zeiten  viele Anwender vom Laptop zum günstigen Netbook gewechselt haben.

Das Asus Ultrabook.

Wir sind davon überzeugt, dass es immer eine Gruppe von Anwendern geben wird, die das Notebook-Konzept schätzt und auch damit umgehen kann. Umso erfreulicher ist es, dass der Chiphersteller-Intel in Zukunft für schlankere, schnellere und sparsamere Notebooks planen will. Für diese sogenannten Ultrabooks hat Intel eine genaue Definition erarbeitet, die unter anderem auch bei Wikipedia nachzulesen ist:

• Maximal 21 mm dick
• Weniger als 1,4 kg schwer
• Lange Batterielaufzeit von 5 bis 8+ Stunden
• Mainstream-Preise – unter 1000 Dollar ohne Mehrwertsteuer für die Einstiegsmodelle
• Keine optischen Laufwerke
• SSDs als Festspeicher
• Low-Voltage-Prozessoren: Sandy Bridge mit 17 Watt TDP
• Intel Core i5-2467M (1,6 GHz)
• Intel Core i5-2557M (1,7 GHz)
• Intel Core i7-2637M (1,7 GHz)
• Intel Core i7-2677M (1,8 GHz)
• Fortgeschrittene integrierte Grafiklösung (Intel HD 3000)“

Solche Geräte sind auch schon auf dem Markt – zum Beispiel von Asus, Toshiba und Lenovo. Doch die Entwicklung hört da nicht auf. In einem zweiten Schritt möchten die Intel-Entwickler schon im nächsten Jahr die Prozessoren und die Schnittstellen der Ultrabooks verbessern: 

• Low-Voltage (ca. 17 W TDP) Intel Ivy Bridge-Prozessoren
• 30 % höhere Grafikleistung gegenüber Sandy Bridge
• 20 % höhere CPU-Leistung gegenüber Sandy Bridge
• USB 3.0, PCI Express 3.0

Die Initiative von Intel ist sicher lobenswert, ob sie erfolgreich sein wird, ist allerdings alles andere als sicher. Zitat ZDNet:

“Ultrabooks sind die Nachfolger der wenig erfolgreichen "Ultra Thin"-Kategorie von Laptops, die Intel intern "CULV" (Consumer Ultra Low Voltage) nannte. Sie kamen vor etwa zwei Jahren auf den Markt, verkauften sich aber trotz erster Begeisterung nicht sonderlich gut. Die meisten Konsumenten entschieden sich für Geräte, die zwar weniger schick waren, fürs gleiche Geld aber mehr Leistung boten. Zwar hat Intel das Performanceniveau mit Sandy Bridge deutlich angehoben, aber in den flachen Gehäusen können nach wie vor nur die niedriger getakteten und langsameren Ultra-Low-Voltage-CPUs verbaut werden. Der Performanceabstand zu einem größeren Gerät bleibt also weitgehend erhalten. Man darf gespannt sein, ob sich der Geschmack der Käufer mittlerweile geändert hat."