Flash-SSDs werden zur primären Speichertechnologie für einzelne Server und große Rechenzentren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplatten, die mehr als 40 Jahre lang den Speichermarkt dominierten, bietet Flash deutlich mehr Leistung, verbraucht weniger Energie und hat geringere Kosten pro IOPS (I/O-Operationen pro Sekunde). Eine wichtige Rolle bei der Etablierung und schnellen Verbreitung von Flash-Speichern spielte neben diesen Vorteilen auch das Black-Box-Design von SSDs, wodurch deren Abwärtskompatibilität mit den herkömmlichen Festplatten garantiert wurde. Dies macht den Austausch von Festplatten nahtlos, da der Software-Stack einschließlich der Anwendung keine Anpassung erfordert. Ein solches Design von SSDs weist jedoch mehrere Nachteile auf, die für die Datenbankverwaltungssysteme besonders kritisch werden.

Die Abwärtskompatibilität von SSDs ist in der sogenannten Flash Translation Layer (FTL) eingekapselt. FTL ist eine Reihe von Flash-Verwaltungsaufgaben, die normalerweise auf dem Gerät ausgeführt werden und das native Verhalten des Flash-Speichers maskieren. Mit anderen Worten, FTL erstellt eine Blackbox über dem Flash-Speicher und emuliert das Verhalten von Festplatten. Die Tatsache, dass das Datenbanksystem keine Kenntnisse über FTL und auch keine Kontrolle über die physische Datenplatzierung auf dem Flash hat, führt zu einem hohen I/O-Overhead, der durch die suboptimale Realisierung von Flash-Verwaltungsaufgaben und funktionale Redundanz entlang des kritischen I/O-Pfades verursacht wird. Somit kann der Schreibfaktor (write amplification) herkömmlicher SSDs, die in der üblichen "cooked" Speicherarchitektur verwendet werden (d.h. mit Dateisystem-Indirektion), bis zu 15x sein. So kann eine einzelne 4KB Schreibanforderung, die vom DBMS gesendet wird, bis zu 60KB werden, die physisch auf dem Flash-Speicher geschrieben sind. Infolgedessen sind der effektive I/O-Durchsatz und die Langlebigkeitserwartungen von SSDs erheblich niedriger als die von in diesen SSDs eingekapselten Flash-Speichern.

In dieser Arbeit beschreiben wir unseren Ansatz - die NoFTL-Speicherarchitektur, der darauf abzielt, die oben genannten Nachteile moderner Flash-SSDs zu lösen. Die Grundidee hinter der NoFTL besteht darin, dem Datenbankverwaltungssystem die vollständige Kontrolle über den zugrunde liegenden Flash-Speicher zu geben, was wiederum die Eliminierung aller zwischengeschalteten Abstraktionsschichten (Dateisystem, Block-Geräteschnittstelle und FTL) zwischen dem DBMS und dem physischen Speicher voraussetzt. NoFTL besteht aus drei Hauptelementen: (i) native Flash-Schnittstelle; (ii) Integration des Flash-Managements in Subsysteme des DBMS; und (iii) das Konzept des konfigurierbaren Flash-Speichers. Das Zusammenspiel ermöglicht es uns, das gesamte Leistungspotential des Flash-Speichers auszuschöpfen. Mit der nativen Flash-Schnittstelle kann das DBMS die Platzierung physischer Daten auf dem Flash-Speicher steuern und die Rechenleistung der SSD für die datennahe Verarbeitung nutzen. Die Integration typischer Flash-Verwaltungsaufgaben (Adressumsetzung, Garbage Collection und Wear-Leveling) in verschiedene Subsysteme des DBMS führt zu einer Optimierung dieser Aufgaben und als auch Optimierung nativer DBMS-Algorithmen. Das Konzept des konfigurierbaren Flash-Speichers ist ein einzigartiger Ansatz zum Organisieren und Verwalten von Daten auf Flash-SSDs. Mithilfe neuartiger Speicherabstraktionen kann das Datenbanksystem eine intelligente Datenplatzierung durchführen, indem Objekte in verschiedenen Regionen gruppiert werden. Darüber hinaus kann das DBMS für jede dieser Regionen einen separaten Satz von Flash-Verwaltungsalgorithmen anwenden, die für Daten, die dieser Region zugewiesen sind, optimal wären.

All dies reduziert den Schreibfaktor von SSDs auf ein Minimum (bis zu 15-fache Reduzierung für OLTP-Workloads), verbessert die Gesamtsystemleistung und verlängert die Lebensdauer von Flash-SSDs erheblich (bis zu 30-fache Verbesserung). Wir haben den NoFTL-Prototyp auf einer Open-Source-Datenbank-Engine realisiert und unter verschiedenen Szenarien und auf verschiedenen Testumgebungen evaluiert.